来源：环球零碳
撰文 | Yinyin
编辑 | Tang
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在我们的常识里，水泥、混凝土这种建材本身都不是导体，自然也不具备导电性能。
但令人意想不到的是，麻省理工学院（MIT）的研究人员最近通过将水、水泥与炭黑相结合，创造了一种布满微观电通路的材料，硬是让这种基础建材具备了存储大量电能的特质，制备出了“反常识”的“导电水泥”，或者也可以叫做“能源水泥”。
这项颇具“重新定义储能方式”潜力的项目，由首席研究员斯特凡纽克（Damian Stefaniuk）博士所领导，最新研究成果发表在《国家科学院院刊》上。
我们都知道可再生能源具有间歇性和不稳定性，会对电网造成冲击，且发电时间和用户用电时间往往不匹配，因此储能设施就变得尤为重要。
不过，传统的锂电池储能一直以来在安全性上面临挑战，锂资源的供应问题也严重限制了锂电池的规模储能应用；此外，锂电池的生产和废弃处理也会对环境有较大影响。
而MIT研究人员的制备出的这种水泥“超级电容器”，为新型储能打开了一条从未设想的道路——原本不可导电的建材水泥，竟然有潜力成为家庭和基础设施供电不可或缺的组成部分，这与建材的属性天然契合，直接把房屋变成了一个巨型储能电池。
Stefaniuk博士清楚地回忆起能源水泥第一次发电点亮LED灯管时的情景：“一开始我并不相信，我以为是因为我没有断开外部电源，所以LED才会亮。”
图说：碳水泥“超级电容器”正在为手持游戏设备供电
来源：Damian Stefaniuk
这种导电水泥的“玄机”在于其独特的结构与成分。
研究人员将导电性极强的炭黑、水泥粉和水一起加入混凝土混合物中，当水与水泥发生反应时，会在结构内自然形成分叉开口的网络，而碳则会迁移到这些空间中，在硬化的水泥中形成线状结构。
用论文共同作者之一马西奇（,Admir Masic）博士的话来说，就是“炭黑自组装成了一条不断连接的导电线。”
该制备过程很容易复制，且材料价格低廉，在世界各地都很容易买到。材料所需的碳量也非常少——仅占混凝土混合物体积的3%，就能形成致密、相互连接的导电网络。
而这些导电通路则使水泥“超级电容器”能够快速存储大量能量。
研究小组计算得出，一块体积为45立方米（相当于一个直径约3.5米的立方体）、掺有纳米碳黑的混凝土，足以储存约10千瓦时的电能，这相当于一个家庭的日平均用电量。
在进行了一系列测试以确定水泥、炭黑和水的最佳比例后，研究小组首先制作出了小型超级电容器，其大小与纽扣电池相当，直径约1厘米，厚度约1毫米，每个超级电容器的充电电压为1伏，与1伏电池相当。
然后，他们将其中三个超级电容器连接了起来，实验证明它们能够点亮3伏的发光二极管 (LED)。
在证明了这一原理后，他们正在计划制造一系列体积更大的版本，首先是与典型的12伏汽车电池大小相当的版本，然后再制造出理论计算中45立方米的版本，以展示其存储一栋房屋电量的能力。
图说：MIT的研究人员正在致力于扩展碳水泥超级电容器的规模
来源：Getty Image
此外，研究团队发现，这种材料的存储容量和结构强度之间存在权衡。
通过添加更多炭黑制成的超级电容器可以存储更多能量，但混凝土强度会稍微变弱，这可能适用于不需要混凝土发挥其全部强度潜力的应用。
他们发现，对于地基或风机底座的结构元件等应用，“最佳比例”是混合物中炭黑含量约为 10%。
研究人员对于这种水泥储能的应用主要有两方面的设想。
一种是发挥建材的基本作用，尤其是可以与户用太阳能光伏板相结合，建设“房屋储能电池”。
MIT的研究人员表示，他们的超级电容器可以整合到房屋的混凝土地基中，并在那里储存太阳能电池板或风机一天产生的电能，在需要时供用户使用。
这种方式几乎不增加地基成本，且仍能提供房屋地基所需的结构强度。
这种超级电容器的另一个潜在应用是修建混凝土道路，并为电动汽车提供“非接触式充电”。
由于“超级电容器”的充电和放电速度比普通电池快得多，这种道路可以储存路边太阳能电池板产生的能量，然后使用与无线充电手机相同的技术将电能输送给沿路行驶的电动汽车。
目前德国和荷兰的公司已经在开发一种类似的汽车充电系统，但使用的是标准锂电池进行能量储存。
图说：充电道路示例
来源：Linkedin
论文的另一位共同作者乌尔姆（Franz-Josef Ulm）表示，该系统具有很强的可扩展性，因为储能容量直接取决于电极的体积。
而根据特定应用所需的特性，还可以通过调整混合物成分比例来调整电池系统性质。
对于汽车充电道路，需要非常快的充电和放电速率，而对于家庭供电，则可以使用充电速度较慢的材料比例。
“所以，这真的是一种多功能材料，” 乌尔姆补充道。除了能够以超级电容器的形式储存能量之外，这种混凝土混合物还可以用作加热系统，只需向混凝土通电即可。
“这种材料非常迷人，”马西奇说，“因为水泥是世界上使用最广泛的人造材料，而炭黑则是一种著名的古代材料——《死海古卷》就是用炭黑书写的。”
不过，能源水泥也存在一些挑战。目前，水泥超级电容器的放电速度很快，因此还不适合需要稳定功率输出的应用。
当这项技术真正成熟、走出实验室之后，这种其貌不扬的黑色混凝土块或许真的可以改写能源储存的未来。
首图来源：MIT News
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参考资料：
[1]https://www.weforum.org/events/world-economic-forum-annual-meeting-2024
[2]https://yicai.smgbb.cn/live/101960154.html
[3]http://www.cnenergynews.cn/jinrong/2024/01/17/detail_20240117144463.html
[4]https://www.yicai.com/video/101959253.html
[5]https://news.solarbe.com/202401/17/375421.html
[6]https://www.arabnews.com/node/2443876/world
[7]https://yicai.smgbb.cn/live/101960528.html
[8]https://www.catl.com/en/news/6202.html
[9]https://www.catl.com/en/news/6201.html
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