低成本添加剂将混凝土板变成超快储能器

麻省理工学院的研究人员发现，当把水泥和炭黑与水混合在一起时，得到的混凝土会自我组装成一个储能超级电容器，可以输出足够的电能为家庭供电或为电动汽车快速充电。

早在 2021 年，查尔姆斯理工大学（Chalmers University of Technology）的一个团队就展示了如何将有用的电能储存在浇筑在碳纤维网电极周围的混凝土中，并通过混合碳纤维来增加导电性。

麻省理工学院的发现似乎更上一层楼，因为它不再需要在混凝土中铺设网状电极，而是让碳黑在固化过程中形成自己的连接电极结构。

这种工艺利用了水和水泥的共同反应方式；当混凝土开始硬化时，水在混凝土中形成了一个分支网状通道，而炭黑会自然地迁移到这些通道中。这些通道呈现出分形结构，大的分支分裂成越来越小的分支--这就形成了表面积极大的碳电极，贯穿整个混凝土。

这些分支中的两个分支被绝缘层或薄薄的空间隔开，一旦整体浸泡在氯化钾等标准电解液中，就能很好地用作超级电容器的极板。当然，超级电容器几乎可以立即充电和放电，因此功率密度和输出通常比标准锂电池高得多。

能量密度较低，而且需要在体积存储能量的多少和混凝土的强度之间做出权衡，因为添加更多的炭黑既能提高能量存储，又能削弱最终混凝土的强度。

但最重要的是，这种储能装置并不需要太小；混凝土往往会被大量使用。美国一栋 2000 平方英尺（185.8 平方米）的普通住宅建在相当标准的 5 英寸厚（13 厘米）的混凝土板上，大约需要 31 立方码（约 24 立方米）的混凝土。如果有车道或混凝土车库，用量还会更多，如果房屋使用混凝土墙或混凝土柱，用量还会大大增加。

麻省理工学院的研究小组称，一块 1589 立方英尺（约 45 立方米）的掺有纳米碳黑的混凝土可储存约 10 千瓦时的电量--足以满足美国普通家庭三分之一的用电量，或者与一个适当大小的太阳能屋顶阵列配合使用，将电网的能源账单降至接近零。更重要的是，它几乎不会增加任何成本。

该团队已经对这些混凝土超级电容器进行了小规模测试，切割出一对电极，制造出与纽扣电池大小相当的1伏特微型超级电容器，并用其中的三个点亮3伏特的LED灯。现在，它正在研究汽车电池大小的电池块，目标是制造出 1589 立方英尺、10 千瓦时的超级电容器，以进行更大规模的演示。

在小规模实验室测试中，麻省理工学院团队切割出一对对电极圆盘，用这些超级电容器为一个 3 伏的发光二极管（LED）供电。

麻省理工学院教授弗朗茨-约瑟夫-乌尔姆（Franz-Josef Ulm）是昨天发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的一项新研究的共同作者。

乌尔姆在一份新闻稿中说："你可以从 1 毫米厚的电极扩展到 1 米厚的电极，通过这样做，你基本上可以将储能能力从点亮 LED 几秒钟扩展到为整栋房子供电。"

除了住宅之外，混凝土也无处不在，从建筑物到地面覆盖物，再到道路网络。该团队表示，这种储能混凝土可以与路边的太阳能电池板和感应充电线圈搭配使用，利用超级电容器按需泵送大量电能的能力，创建超快速的车行式无线电动汽车充电道路。

此外，大型电网储能设施的地基可能会使用大量混凝土，这就产生了一种有趣的可能性，即巨型混凝土超级电容器可能与移动速度较慢的化学电池搭配使用，使其既能快速向电网输送电力，又能以较低的功率提供较长时间的电力。

另一方面，目前还不清楚这种混凝土是否适合在潮湿的室外使用。此外，还不清楚这些混凝土超级电容器是否可以在现场浇筑，在原地自行组装。也不清楚每对电极是否需要密封，也不清楚在哪里以及如何将这些混凝土块连接起来为房屋供电，更不清楚接触这样的混凝土超级电容器是否安全。

不过，这确实是一个引人入胜的项目，我们将有兴趣了解它的进展情况。这项研究已在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上公开发表。