麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把水泥和炭黑與水混合在一起時，得到的混凝土?xí)晕医M裝成一個儲能超級電容器，可以輸出足夠的電能為家庭供電或為電動汽車快速充電。7月31日，相關(guān)成果已發(fā)表于美國《國家科學(xué)院院刊》。
早在2021 年，查爾姆斯理工大學(xué)（Chalmers University of Technology）的一個團隊就展示了如何將有用的電能儲存在澆筑在碳纖維網(wǎng)電極周圍的混凝土中，并通過混合碳纖維來增加導(dǎo)電性。
麻省理工學(xué)院的發(fā)現(xiàn)似乎更上一層樓，因為它不再需要在混凝土中鋪設(shè)網(wǎng)狀電極，而是讓碳黑在固化過程中形成自己的連接電極結(jié)構(gòu)。
這種工藝利用了水和水泥的共同反應(yīng)方式；當(dāng)混凝土開始硬化時，水在混凝土中形成了一個分支網(wǎng)狀通道，而炭黑會自然地遷移到這些通道中。這些通道呈現(xiàn)出分形結(jié)構(gòu)，大的分支分裂成越來越小的分支——這就形成了表面積極大的碳電極，貫穿整個混凝土。
這些分支中的兩個分支被絕緣層或薄薄的空間隔開，一旦整體浸泡在氯化鉀等標(biāo)準(zhǔn)電解液中，就能很好地用作超級電容器的極板。當(dāng)然，超級電容器幾乎可以立即充電和放電，因此功率密度和輸出通常比標(biāo)準(zhǔn)鋰電池高得多。
能量密度較低，而且需要在體積存儲能量的多少和混凝土的強度之間做出權(quán)衡，因為添加更多的炭黑既能提高能量存儲，又能削弱最終混凝土的強度。
但最重要的是，這種儲能裝置并不需要太?。换炷镣鶗淮罅渴褂?。美國一棟 2000 平方英尺（185.8 平方米）的普通住宅建在相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的 5 英寸厚（13 厘米）的混凝土板上，大約需要 31 立方碼（約 24 立方米）的混凝土。如果有車道或混凝土車庫，用量還會更多，如果房屋使用混凝土墻或混凝土柱，用量還會大大增加。
麻省理工學(xué)院的研究小組稱，一塊 1589 立方英尺（約 45 立方米）的摻有納米碳黑的混凝土可儲存約 10 千瓦時的電量——足以滿足美國普通家庭三分之一的用電量，或者與一個適當(dāng)大小的太陽能屋頂陣列配合使用，將電網(wǎng)的能源賬單降至接近零。更重要的是，它幾乎不會增加任何成本。
該團隊已經(jīng)對這些混凝土超級電容器進行了小規(guī)模測試，切割出一對電極，制造出與紐扣電池大小相當(dāng)?shù)?伏特微型超級電容器，并用其中的三個點亮3伏特的LED燈。現(xiàn)在，它正在研究汽車電池大小的電池塊，目標(biāo)是制造出 1589 立方英尺、10 千瓦時的超級電容器，以進行更大規(guī)模的演示。
在小規(guī)模實驗室測試中，麻省理工學(xué)院團隊切割出一對對電極圓盤，用這些超級電容器為一個 3 伏的發(fā)光二極管（LED）供電。
麻省理工學(xué)院教授弗朗茨-約瑟夫-烏爾姆（Franz-Josef Ulm）是昨天發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上的一項新研究的共同作者。
烏爾姆在一份新聞稿中說："你可以從 1 毫米厚的電極擴展到 1 米厚的電極，通過這樣做，你基本上可以將儲能能力從點亮 LED 幾秒鐘擴展到為整棟房子供電。"
除了住宅之外，混凝土也無處不在，從建筑物到地面覆蓋物，再到道路網(wǎng)絡(luò)。該團隊表示，這種儲能混凝土可以與路邊的太陽能電池板和感應(yīng)充電線圈搭配使用，利用超級電容器按需泵送大量電能的能力，創(chuàng)建超快速的車行式無線電動汽車充電道路。
此外，大型電網(wǎng)儲能設(shè)施的地基可能會使用大量混凝土，這就產(chǎn)生了一種有趣的可能性，即巨型混凝土超級電容器可能與移動速度較慢的化學(xué)電池搭配使用，使其既能快速向電網(wǎng)輸送電力，又能以較低的功率提供較長時間的電力。
另一方面，目前還不清楚這種混凝土是否適合在潮濕的室外使用。此外，還不清楚這些混凝土超級電容器是否可以在現(xiàn)場澆筑，在原地自行組裝。也不清楚每對電極是否需要密封，也不清楚在哪里以及如何將這些混凝土塊連接起來為房屋供電，更不清楚接觸這樣的混凝土超級電容器是否安全。
