I supercondensatori in calcestruzzo ec³ sviluppati al MIT combinano cemento, acqua, carbon black ed elettrolita per realizzare un composito capace di sostenere carichi e accumulare energia. Le formulazioni più recenti hanno superato 2 kWh/m³, con prestazioni circa dieci volte superiori ai primi prototipi. La prospettiva riguarda fondazioni, pareti, pavimentazioni e infrastrutture capaci di diventare anche sistemi energetici e potenzialmente sensori strutturali. Restano però aperti problemi di resistenza, durabilità, sicurezza, comportamento al fuoco e qualificazione normativa. INGENIO analizza quindi la tecnologia distinguendo risultati sperimentali, potenziale applicativo e reali condizioni necessarie per il trasferimento alle costruzioni. 

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Supercondensatori in cemento: il calcestruzzo può diventare un sistema di accumulo energetico?

E se il calcestruzzo di una fondazione o di una parete potesse anche accumulare energia elettrica?

È questa la prospettiva aperta dalle ricerche del MIT sui compositi cemento-carbonio. I nuovi prototipi sperimentali hanno raggiunto una densità energetica circa dieci volte superiore rispetto alle prime formulazioni, mostrando la possibilità di integrare nello stesso materiale più funzioni: capacità meccanica, accumulo di energia e, potenzialmente, monitoraggio dello stato della struttura.

Il passaggio dal laboratorio agli edifici reali resta però ancora complesso. Prima di poter parlare di un vero calcestruzzo strutturale capace di accumulare energia dovranno essere risolti aspetti fondamentali legati a resistenza meccanica, durabilità, sicurezza elettrica, comportamento al fuoco, manutenzione e industrializzazione.

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Come funziona un supercondensatore in calcestruzzo cemento-carbonio

Siamo abituati a pensare il calcestruzzo come un materiale strutturale, chiamato a sopportare carichi, proteggere le armature e garantire durabilità. La ricerca sui materiali multifunzionali sta però spingendo questo paradigma molto più avanti: e se una parete, una fondazione o una pavimentazione potessero contemporaneamente sostenere carichi e accumulare energia elettrica?

È questa la direzione seguita da diversi anni da un gruppo del Massachusetts Institute of Technology, impegnato nello sviluppo di materiali cementizi elettricamente conduttivi attraverso l’ec³ Hub – Electron-Conducting Carbon-Cement-Based Materials.

La tecnologia utilizza materiali apparentemente ordinari: cemento, acqua, carbon black ed elettrolita. La loro combinazione consente di ottenere un composito cementizio capace di funzionare come componente attivo di un supercondensatore.

La novità più rilevante dell’ultima generazione del sistema è quantitativa: secondo i risultati pubblicati sulla rivista scientifica Proceedings of the National Academy of Sciences, la densità energetica è cresciuta di circa un ordine di grandezza rispetto ai primi dispositivi sviluppati dal gruppo.

Nelle configurazioni sperimentali più performanti si superano i 2 kWh per metro cubo di materiale.

Il dato è significativo, ma va letto correttamente. Non siamo davanti a un nuovo tipo di batteria convenzionale e non ha senso confrontare direttamente questo materiale con una batteria agli ioni di litio. La tecnologia sviluppata dal MIT appartiene alla famiglia dei supercondensatori, dispositivi che accumulano energia secondo meccanismi differenti rispetto alle batterie.

Non è una batteria di cemento

La distinzione è importante dal punto di vista tecnico.

Una batteria immagazzina energia principalmente attraverso reazioni elettrochimiche reversibili. Nei supercondensatori, invece, l’accumulo avviene prevalentemente mediante la separazione delle cariche all’interfaccia tra l’elettrodo e l’elettrolita.

Nel sistema studiato dal MIT, il materiale cementizio viene reso elettricamente attivo mediante l’aggiunta di carbon black, una forma di carbonio caratterizzata da una buona conducibilità elettrica.

Durante l’idratazione del cemento, le particelle di carbonio non rimangono semplicemente disperse nella pasta cementizia, ma possono organizzarsi formando una rete tridimensionale interconnessa.

Questa rete costituisce il percorso attraverso il quale si muovono gli elettroni. La porosità della matrice permette invece il movimento degli ioni dell’elettrolita.

Le prestazioni del materiale derivano quindi dall’interazione di tre sistemi: la matrice cementizia, responsabile delle proprietà meccaniche; la rete carboniosa, responsabile della conduzione elettronica; e l’elettrolita, che rende possibile il trasporto ionico necessario all’accumulo delle cariche.

È proprio questa combinazione che trasforma un materiale tradizionalmente passivo in un materiale capace di svolgere una funzione elettrochimica.

La microstruttura del calcestruzzo è la chiave

Uno degli aspetti più interessanti della ricerca riguarda la struttura microscopica del composito.

Attraverso tecniche avanzate di microscopia e tomografia tridimensionale, i ricercatori hanno osservato che le particelle di carbon black possono generare all’interno della matrice una rete ramificata e fortemente interconnessa.

Questa geometria aumenta in modo significativo la superficie disponibile per l’interazione tra il materiale conduttivo e l’elettrolita.

Il MIT descrive questa configurazione come una rete con caratteristiche riconducibili a una geometria frattale: una struttura molto sviluppata rispetto al volume occupato, capace quindi di aumentare le superfici sulle quali possono accumularsi le cariche.

In termini molto semplici, il materiale cementizio contiene al proprio interno una sorta di infrastruttura elettrica microscopica.

Ed è proprio sulla progettazione di questa microstruttura che si è concentrata una parte importante della ricerca più recente.

Il salto prestazionale: oltre 2 kWh per metro cubo

Il primo lavoro del gruppo, pubblicato nel 2023, aveva già dimostrato la possibilità di realizzare supercondensatori utilizzando cemento, acqua e carbon black.

Il lavoro successivo ha cercato soprattutto di aumentare le prestazioni intervenendo sulla microstruttura del materiale, sulla composizione dell’elettrolita e sul processo produttivo.

Secondo i dati riportati dal MIT, le configurazioni sperimentali più performanti possono raggiungere una densità energetica superiore a 2 kWh per metro cubo.

Rispetto alle prime formulazioni, il miglioramento è di circa un ordine di grandezza.

Nel lavoro iniziale del 2023 i ricercatori stimavano che sarebbero stati necessari circa 45 metri cubi di materiale per accumulare l’energia corrispondente al consumo giornaliero di una casa presa come riferimento. Con le nuove formulazioni, la stima scenderebbe a circa 5 metri cubi.

Sono numeri che mostrano l’evoluzione rapida della tecnologia, ma che non devono essere interpretati come una prestazione già disponibile per la progettazione corrente. Si tratta ancora di risultati sperimentali, ottenuti su dispositivi e prototipi controllati.

La ricerca scientifica di riferimento è “High energy density carbon-cement supercapacitors for architectural energy storage”, pubblicata su PNAS.

Fonte:
High energy density carbon–cement supercapacitors for architectural energy storage

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Dal provino al piccolo elemento strutturale

Uno degli aspetti più interessanti dello studio è il tentativo di superare la dimensione del semplice provino da laboratorio.

Il gruppo del MIT ha costruito dispositivi dimostrativi in grado di alimentare piccoli apparecchi elettronici e ha realizzato anche un modulo di supercondensatore da 12 V e 50 F.

Dal punto di vista dell’ingegneria civile, tuttavia, il prototipo più interessante è probabilmente un piccolo arco strutturale realizzato per svolgere contemporaneamente due funzioni: sopportare un carico e immagazzinare energia elettrica.

È una dimostrazione ancora lontana dalla scala di un edificio, ma introduce un passaggio concettuale importante.

Un elemento costruttivo potrebbe non essere più progettato soltanto per trasferire azioni e garantire sicurezza strutturale, ma anche come componente di un sistema energetico.

La struttura diventerebbe quindi contemporaneamente materia resistente e dispositivo funzionale.

Il materiale potrebbe anche monitorare il proprio stato

Durante le prove i ricercatori hanno inoltre osservato variazioni della risposta elettrica del materiale al variare delle sollecitazioni meccaniche.

Questo comportamento apre una seconda prospettiva.

Lo stesso materiale utilizzato per accumulare energia potrebbe essere utilizzato anche come sensore per rilevare variazioni dello stato deformativo o tensionale.

Il tema entra direttamente nel campo dello structural health monitoring.

In prospettiva, quindi, uno stesso elemento potrebbe svolgere tre funzioni: sopportare carichi, immagazzinare energia e fornire informazioni sul proprio stato.

È probabilmente questo il punto in cui la ricerca diventa ancora più interessante per il settore delle costruzioni.

Non si tratta più semplicemente di aggiungere una prestazione a un materiale tradizionale, ma di trasformare il materiale stesso in una piattaforma multifunzionale.

Pareti e fondazioni come sistemi di accumulo?

Qui emerge il vero potenziale della tecnologia.

Un supercondensatore cementizio non deve necessariamente raggiungere la stessa densità energetica di una batteria agli ioni di litio per diventare interessante.

La logica è diversa.

Gli edifici e le infrastrutture utilizzano già enormi volumi di materiali cementizi. Se una parte di questi volumi potesse acquisire anche una capacità di accumulo elettrico, l’energia potrebbe essere immagazzinata in elementi che devono comunque essere realizzati.

Una fondazione, una parete o una pavimentazione non verrebbero costruite per contenere una batteria. Sarebbero esse stesse, almeno in parte, il dispositivo di accumulo.

È questa la differenza fondamentale rispetto ai sistemi tradizionali.

Le possibili applicazioni immaginate dai ricercatori comprendono fondazioni, pareti, pavimentazioni, parcheggi, infrastrutture stradali, sistemi off-grid e opere associate agli impianti di produzione di energia rinnovabile.

Il MIT sta studiando anche applicazioni in ambiente marino e offshore.

Secondo i ricercatori, in alcune configurazioni anche l’acqua marina potrebbe svolgere la funzione di elettrolita, aprendo scenari potenzialmente interessanti per infrastrutture associate all’eolico offshore.

Informazioni sul programma di ricerca sono disponibili sul sito dell’ec³ Hub del MIT:

What is the MIT ec3 (“ec-cube”) hub?

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Il problema vero: struttura e accumulo chiedono cose diverse al materiale

È però proprio quando si passa dall’esperimento alla possibile applicazione strutturale che emergono le difficoltà più importanti.

Un buon calcestruzzo strutturale richiede normalmente una matrice capace di garantire resistenza, rigidezza, durabilità e un controllo accurato della porosità.

Un buon dispositivo elettrochimico beneficia invece di una grande superficie specifica, di una porosità accessibile, di reti conduttive continue e della possibilità per gli ioni di muoversi efficacemente.

Sono esigenze che non necessariamente coincidono.

Anzi, possono essere antagoniste.

Una matrice molto compatta può migliorare alcune caratteristiche meccaniche e di durabilità, ma ostacolare il trasporto ionico. Una maggiore porosità può favorire le prestazioni elettrochimiche, ma penalizzare resistenza e durabilità.

È probabilmente questo il principale problema scientifico e tecnologico da risolvere.

La sfida non consiste quindi soltanto nell’aumentare la capacità elettrica del materiale, ma nel trovare un equilibrio tra prestazione elettrochimica e prestazione strutturale.

È un tema che emerge chiaramente anche dalla letteratura scientifica più recente sui cement-based energy storage materials.

Non deve sostituire le batterie al litio

Per questo motivo confrontare direttamente questi materiali con le batterie agli ioni di litio rischia di generare aspettative sbagliate.

Le batterie convenzionali mantengono densità energetiche enormemente superiori.

Ma il vantaggio potenziale dei supercondensatori cementizi non è necessariamente la quantità di energia immagazzinata per chilogrammo di materiale.

È il fatto che il materiale esiste già per un’altra ragione.

Una fondazione deve essere realizzata comunque. Una parete deve esistere comunque. Una pavimentazione deve essere costruita comunque.

Se quello stesso volume può svolgere anche una funzione energetica, cambia la logica complessiva del sistema.

Il paradigma non è quindi “sostituire una batteria con il cemento”.

È piuttosto: non aggiungere un accumulatore all’edificio, ma attribuire capacità di accumulo a una parte dell’edificio stesso.

Dal calcestruzzo strutturale al multifunctional concrete

Questa ricerca rientra in un campo più ampio che viene spesso indicato come multifunctional concrete.

Il calcestruzzo non viene più studiato soltanto rispetto alle tradizionali prestazioni di resistenza e durabilità.

Diventa una piattaforma attraverso la quale integrare altre funzioni: conducibilità elettrica, accumulo energetico, riscaldamento, sensoristica, monitoraggio strutturale e gestione energetica.

In altre parole, la ricerca sta progressivamente ampliando la definizione stessa di prestazione del materiale.

Per oltre un secolo la domanda principale è stata: quanto resiste questo calcestruzzo?

La domanda futura potrebbe diventare più complessa: quante funzioni può svolgere contemporaneamente un metro cubo di calcestruzzo?

Una ricerca che INGENIO aveva già intercettato

Il tema dell’accumulo energetico nei materiali cementizi non nasce oggi.

INGENIO aveva già approfondito nel 2018 una ricerca sui materiali cementizi capaci di immagazzinare energia e contemporaneamente fornire indicazioni sullo stato tensionale della struttura:

https://www.ingenio-web.it/articoli/il-calcestruzzo-potrebbe-presto-immagazzinare-energia-e-alimentare-la-casa/

Ancora prima era stato affrontato il tema dei calcestruzzi innovativi per l’accumulo termico:

https://www.ingenio-web.it/articoli/calcestruzzi-innovativi-per-l-accumulo-termico-2/

Sono percorsi tecnologicamente differenti, ma collegati da una stessa evoluzione concettuale: trasformare il materiale da costruzione da elemento prevalentemente passivo a componente attiva del sistema edificio.

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Cosa manca prima di arrivare alle strutture reali

Il salto tra un prototipo sperimentale e una struttura reale rimane però molto ampio.

Prima che una fondazione o una parete possa essere progettata anche come dispositivo di accumulo sarà necessario comprendere molto meglio il comportamento del materiale nel lungo periodo.

Dovranno essere studiati la resistenza meccanica, la durabilità, il comportamento sotto carichi ciclici, la stabilità dell’elettrolita, il numero di cicli di carica e scarica, l’effetto delle variazioni di temperatura e umidità, la sicurezza elettrica, il comportamento al fuoco, la compatibilità con armature e altri componenti, le modalità di connessione elettrica tra gli elementi e la possibilità di ispezione e manutenzione.

A questi aspetti si aggiungono industrializzazione, costi, standardizzazione delle prove e valutazione del ciclo di vita.

Non siamo quindi davanti a un prodotto da specificare oggi in un capitolato.

Siamo davanti a una tecnologia sperimentale che potrebbe aprire una nuova categoria di prestazioni per i materiali da costruzione.

Una nuova domanda per l’ingegneria dei materiali

Forse l’aspetto più interessante della ricerca del MIT non è quindi il valore di 2 kWh per metro cubo.

È il cambiamento della domanda progettuale. Per molto tempo abbiamo separato nettamente struttura, impianti, sistemi di accumulo, sensoristica e controllo. La ricerca sui materiali multifunzionali tende invece a sovrapporre queste funzioni.

La materia stessa diventa infrastruttura.

Il passaggio potrebbe essere quello dal materiale strutturale al materiale-sistema.

È ancora presto per immaginare edifici capaci di funzionare realmente come grandi accumulatori elettrici. Ma il principio introdotto da queste ricerche è sufficientemente importante da meritare attenzione.

La domanda non è più soltanto come costruire strutture più resistenti o più sostenibili.

È anche un’altra: può la materia con cui costruiamo gli edifici diventare una parte attiva delle infrastrutture energetiche e digitali che li fanno funzionare?

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Fonti scientifiche e tecniche

Stefaniuk D. et al., “High energy density carbon-cement supercapacitors for architectural energy storage”, Proceedings of the National Academy of Sciences.
https://doi.org/10.1073/pnas.2511912122

Chanut N. et al., “Carbon-cement supercapacitors as a scalable bulk energy storage solution”, Proceedings of the National Academy of Sciences, 2023.
https://doi.org/10.1073/pnas.2304318120

Massachusetts Institute of Technology, “Concrete ‘battery’ developed at MIT now packs 10 times the power”.
https://news.mit.edu/2025/concrete-battery-now-packs-ten-times-power-1001

MIT ec³ Hub – Electron-Conducting Carbon-Cement-Based Materials.
https://eccube.mit.edu/key-impacts/

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FAQ TECNICHE: Supercondensatori in calcestruzzo: accumulo oltre 2 kWh/m³

Che cos’è un supercondensatore in calcestruzzo?
È un dispositivo di accumulo elettrochimico nel quale una matrice cementizia contenente carbon black svolge anche la funzione di elettrodo. Il carbonio forma all’interno della matrice una rete elettricamente conduttiva, mentre l’elettrolita permette il trasporto ionico. Nel sistema ec³ la matrice mantiene contemporaneamente una funzione meccanica.

Dove potrebbero essere utilizzati questi materiali?
Le applicazioni ipotizzate comprendono fondazioni, pareti, pavimentazioni, strade e infrastrutture associate alla produzione di energia rinnovabile. Il vantaggio teorico consiste nell’utilizzare volumi di materiale già necessari all’opera anche come capacità distribuita di accumulo. Le applicazioni strutturali reali devono tuttavia essere ancora validate.

Come viene realizzato il materiale?
Il sistema sperimentale utilizza cemento, acqua, carbon black ed elettrolita. Durante l’idratazione, il carbon black forma una rete conduttiva tridimensionale con elevata superficie accessibile. La ricerca più recente ha lavorato sull’ottimizzazione della microstruttura, degli elettroliti e delle strategie di integrazione.

Quali problemi di durabilità e manutenzione devono essere risolti?
Occorre verificare stabilità dell’elettrolita, cicli di carica-scarica, comportamento termoigrometrico, evoluzione della rete conduttiva, compatibilità con eventuali armature, connessioni elettriche, ispezionabilità e comportamento al fuoco. Sono aspetti determinanti prima di qualsiasi impiego strutturale ordinario. 

Qual è l’errore principale da evitare nel valutare questa tecnologia?
Trattarla come una “batteria di cemento” già pronta per gli edifici. I risultati descrivono una tecnologia sperimentale promettente, non un materiale strutturale attualmente prescrivibile come sistema di accumulo secondo procedure consolidate. Anche il dato superiore a 2 kWh/m³ deve quindi essere riferito alle configurazioni sperimentali dello studio.