用水泥和炭黑打造未來的儲(chǔ)能系統(tǒng)

麻省理工學(xué)院的工程師利用人類最普遍的兩種歷史材料，水泥和炭黑（類似于非常細(xì)的木炭），開發(fā)了一種新型、低成本的儲(chǔ)能系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以作為超級電容器，提供電能的存儲(chǔ)和釋放，從而促進(jìn)太陽能、風(fēng)能和潮汐能等可再生能源的使用，使能源網(wǎng)絡(luò)在可再生能源供應(yīng)波動(dòng)的情況下保持穩(wěn)定。這項(xiàng)簡單而創(chuàng)新的技術(shù)本周在PNAS雜志上發(fā)表。

電容器是一種非常簡單的器件，由浸入電解質(zhì)中并由膜隔開的兩塊導(dǎo)電板組成。當(dāng)在電容器上施加電壓時(shí)，電解液中的帶正電的離子會(huì)積聚在帶負(fù)電的板上，而帶正電的板上會(huì)積聚帶負(fù)電的離子。由于極板之間的膜阻止帶電離子遷移，這種電荷分離在極板之間產(chǎn)生電場，電容器帶電。兩塊板可以長時(shí)間保持這對電荷，然后在需要時(shí)非?？焖俚剌斔退鼈儭３夒娙萜髦皇强梢源鎯?chǔ)異常大電荷的電容器。

電容器可以存儲(chǔ)的功率取決于其導(dǎo)電板的總表面積。因此，要提高電容器的性能，就需要增加導(dǎo)電板的表面積或減小極板之間的距離。然而，這兩種方法都有其局限性，因?yàn)閷?dǎo)電板的大小和形狀受到物理限制，而極板之間的距離過小會(huì)導(dǎo)致電弧或短路。

為了克服這些限制，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)采用了一種新穎的方法，利用水泥和炭黑這兩種廉價(jià)且廣泛可用的材料，制造出具有極高內(nèi)表面積的水泥基材料，該材料是由于在其體積內(nèi)具有密集、互連的導(dǎo)電材料網(wǎng)絡(luò)。研究人員通過將高導(dǎo)電性炭黑與水泥粉和水一起引入混凝土混合物中，并使其固化來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。當(dāng)水與水泥發(fā)生反應(yīng)時(shí)，水自然會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)形成一個(gè)分支的開口網(wǎng)絡(luò)，碳遷移到這些空間中，在硬化的水泥內(nèi)形成金屬絲狀結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)具有類似分形的結(jié)構(gòu)，較大的分支會(huì)長出較小的樹枝，而那些長出更小的樹枝會(huì)長出更小的樹枝，依此類推，最終在相對較小的體積范圍內(nèi)具有非常大的表面積。然后將材料浸泡在標(biāo)準(zhǔn)電解質(zhì)材料中，例如氯化鉀，一種鹽，它提供積聚在碳結(jié)構(gòu)上的帶電粒子。研究人員發(fā)現(xiàn)，由這種材料制成的兩個(gè)電極，由薄空間或絕緣層隔開，形成一個(gè)非常強(qiáng)大的超級電容器。

電容器的兩塊極板的功能就像等效電壓的可充電電池的兩極一樣：當(dāng)連接到電源時(shí)，就像電池一樣，能量存儲(chǔ)在極板中，然后當(dāng)連接到負(fù)載時(shí)，電流流回以提供電力。

“這種材料很吸引人，”麻省理工學(xué)院土木與環(huán)境工程系的Admir Masic教授說，“因?yàn)槟銚碛惺澜缟鲜褂米疃嗟娜嗽觳牧?，水泥，它與炭黑結(jié)合在一起，這是一種眾所周知的歷史材料——死海古卷就是用它寫成的。你擁有這些至少有兩千年歷史的材料，當(dāng)你以特定的方式將它們組合在一起時(shí)，你就會(huì)想出一種導(dǎo)電納米復(fù)合材料，這就是事情變得非常有趣的時(shí)候。”

他說，隨著混合物的凝固和固化，“水通過水泥水化反應(yīng)被系統(tǒng)地消耗掉，這種水化從根本上影響了碳的納米顆粒，因?yàn)樗鼈兪鞘杷模ㄅ懦馑?。隨著混合物的演變，“炭黑會(huì)自組裝成一根相連的導(dǎo)線，”他說。該過程易于復(fù)制，材料價(jià)格低廉，在世界任何地方都很容易獲得。Masic說，實(shí)現(xiàn)滲流碳網(wǎng)絡(luò)所需的碳量非常小 - 僅占混合物體積的3%。

麻省理工學(xué)院土木與環(huán)境工程系的Franz-Josef Ulm教授說，由這種材料制成的超級電容器具有巨大的潛力，可以幫助世界向可再生能源過渡。無排放能源、風(fēng)能、太陽能和潮汐能的主要來源都在可變時(shí)間產(chǎn)生輸出，而這些時(shí)間通常與用電高峰不對應(yīng)，因此儲(chǔ)存電力的方法至關(guān)重要。“對大型儲(chǔ)能有巨大的需求，”他說，現(xiàn)有的電池太貴了，而且主要依賴鋰等材料，鋰的供應(yīng)有限，因此迫切需要更便宜的替代品?！斑@就是我們的技術(shù)非常有前途的地方，因?yàn)樗酂o處不在，”烏爾姆說。

該團(tuán)隊(duì)計(jì)算出，一塊尺寸為45立方米（或碼）的納米碳黑摻雜混凝土 - 相當(dāng)于一個(gè)約3.5米寬的立方體 - 將有足夠的容量來存儲(chǔ)約10千瓦時(shí)的能量，這被認(rèn)為是一個(gè)家庭的平均每日用電量。由于混凝土將保持其強(qiáng)度，因此由這種材料制成的地基的房屋可以存儲(chǔ)太陽能電池板或風(fēng)車產(chǎn)生的一天的能量，并在需要時(shí)使用。而且，超級電容器的充電和放電速度比電池快得多。

在進(jìn)行了一系列用于確定水泥、炭黑和水最有效比例的測試后，該團(tuán)隊(duì)通過制造小型超級電容器來演示這一過程，這些超級電容器的大小與一些紐扣電池差不多，直徑約1厘米，厚度約1毫米，每個(gè)超級電容器可以充電到1伏特，相相當(dāng)于1伏特電池。然后，他們連接了其中三個(gè)，以展示它們點(diǎn)亮 3 伏發(fā)光二極管 （LED） 的能力。在證明了這一原理之后，他們現(xiàn)在計(jì)劃建造一系列更大的版本，從大約一個(gè)典型的12伏汽車電池大小的版本開始，然后增加到45立方米的版本，以證明其存儲(chǔ)房屋價(jià)值的能力。

他們發(fā)現(xiàn)，材料的存儲(chǔ)容量與其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之間存在權(quán)衡。通過添加更多的炭黑，產(chǎn)生的超級電容器可以儲(chǔ)存更多的能量，但混凝土略弱，這對于混凝土不起結(jié)構(gòu)作用或不需要混凝土的全部強(qiáng)度潛力的應(yīng)用可能很有用。他們發(fā)現(xiàn)，對于地基或風(fēng)力渦輪機(jī)底座的結(jié)構(gòu)元件等應(yīng)用，“最佳點(diǎn)”是混合物中約10%的炭黑。

碳水泥超級電容器的另一個(gè)潛在應(yīng)用是用于建造混凝土道路，該道路可以儲(chǔ)存太陽能電池板產(chǎn)生的能量，然后使用與無線充電手機(jī)相同的技術(shù)將能量輸送到沿道路行駛的電動(dòng)汽車。德國和荷蘭的公司已經(jīng)在開發(fā)一種相關(guān)類型的汽車充電系統(tǒng)，但使用標(biāo)準(zhǔn)電池進(jìn)行存儲(chǔ)。

研究人員說，該技術(shù)的最初用途可能是用于遠(yuǎn)離電網(wǎng)的孤立房屋或建筑物或避難所，這些房屋或避難所可以由連接到水泥超級電容器的太陽能電池板供電。

烏爾姆說，該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，因?yàn)閮?chǔ)能容量是電極體積的直接函數(shù)。“你可以從1毫米厚的電極變成1米厚的電極，通過這樣做，基本上你可以將儲(chǔ)能容量從點(diǎn)亮LED幾秒鐘，擴(kuò)展到為整個(gè)房子供電，”他說。根據(jù)給定應(yīng)用所需的特性，可以通過調(diào)整混合物來調(diào)整系統(tǒng)。烏爾姆說，對于車輛充電道路，需要非?？斓某潆姾头烹娝俾?，而對于家庭供電，“你有一整天的時(shí)間來充電”，因此可以使用較慢的充電材料?！八?，它確實(shí)是一種多功能材料，”他補(bǔ)充道。除了能夠以超級電容器的形式儲(chǔ)存能量外，通過簡單地將電力施加到碳纖維混凝土上，相同種類的混凝土混合物還可以用作加熱系統(tǒng)。烏爾姆認(rèn)為這是“作為能源轉(zhuǎn)型的一部分，展望混凝土未來的一種新方式”。

該研究團(tuán)隊(duì)還包括麻省理工學(xué)院土木與環(huán)境工程系的博士后Nicolas Chanut和Damian Stefaniuk，Wyss研究所的James Weaver以及麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系的Yunguang Zhu。這項(xiàng)工作得到了麻省理工學(xué)院混凝土可持續(xù)發(fā)展中心的支持，并得到了混凝土進(jìn)步基金會(huì)的贊助。