马萨诸塞州剑桥 — 一项新研究表明，人类历史上最常见的两种材料——水泥和炭黑(类似于细木炭)——可能成为一种新型低成本能源储存系统的基础。该技术可以促进太阳能、风能和潮汐能等可再生能源的使用，因为尽管可再生能源供应出现波动，能源网络仍能保持稳定。

        研究人员发现，这两种材料可以与水结合制成超级电容器(电池的替代品)，用于储存电能。例如，开发该系统的麻省理工学院研究人员表示，他们的超级电容器最终可以整合到房屋的混凝土地基中，在那里它可以储存一整天的电能，同时几乎不增加地基成本(甚至不增加)，同时仍提供所需的结构强度。研究人员还设想了一条混凝土道路，当电动汽车行驶在这条道路上时，它可以提供非接触式充电。

        电容器在原理上是一种非常简单的装置，由两块浸入电解液并由膜隔开的导电板组成。当在电容器上施加电压时，来自电解液的带正电的离子会聚集在带负电的板上，而带正电的板则会聚集带负电的离子。由于板之间的膜会阻止带电离子迁移，这种电荷分离会在板之间产生电场，电容器就会带电。两块板可以长时间保持这对电荷，然后在需要时非常迅速地释放它们。超级电容器只是可以存储极大电荷的电容器。

        电容器可以存储的电量取决于其导电板的总表面积。该团队开发的新型超级电容器的关键在于一种生产水泥基材料的方法，由于其体积内有致密、相互连接的导电材料网络，因此其内部表面积极高。研究人员通过将导电性极强的炭黑与水泥粉和水一起加入混凝土混合物中，并使其固化来实现这一目标。水与水泥发生反应时，会在结构内自然形成分支开口网络，碳会迁移到这些空间中，在硬化的水泥中形成线状结构。这些结构具有分形结构，较大的分支会长出较小的分支，较小的分支会长出更小的小分支，依此类推，最终在相对较小的体积内获得极大的表面积。然后将材料浸泡在标准电解质材料中，例如氯化钾(一种盐)，它提供聚集在碳结构上的带电粒子。研究人员发现，由这种材料制成的两个电极，由一个薄空间或绝缘层隔开，形成了一个非常强大的超级电容器。

        电容器的两个极板的功能就像等效电压的可充电电池的两个极板：当连接到电源时，就像电池一样，能量会存储在极板中，然后当连接到负载时，电流会流回以提供电力。

        “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，它与炭黑相结合，而炭黑是一种著名的历史材料——《死海古卷》就是用炭黑书写的。这些材料至少有两千年的历史，当你以特定的方式将它们结合在一起时，就会得到一种导电纳米复合材料，这时事情就变得非常有趣了。”

        他说，随着混合物凝固和固化，“水通过水泥水化反应系统地被消耗，这种水化作用从根本上影响了碳纳米颗粒，因为它们是疏水性的(防水)。”随着混合物的演变，“炭黑会自组装成一条连接的导电线，”他说。这个过程很容易复制，材料价格低廉，在世界各地都很容易买到。马西奇说，所需的碳量非常少——仅占混合物体积的 3%——就能形成渗透碳网络。

        Ulm 表示，用这种材料制成的超级电容器在帮助世界向可再生能源转型方面具有巨大潜力。风能、太阳能和潮汐能等无排放能源的主要来源都是在不同时间产生输出的，这些时间通常与用电高峰期不一致，因此储存这些电能的方法至关重要。“对大型能源储存的需求巨大，”他说，现有的电池价格过高，而且主要依赖于锂等材料，而锂的供应有限，因此迫切需要更便宜的替代品。“这就是我们的技术非常有前景的地方，因为水泥无处不在，”Ulm 说。

        研究小组计算得出，一块掺有纳米碳黑的混凝土，其体积为 45 立方米(或码)，相当于一个直径约 3.5 米的立方体，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。由于混凝土可以保持其强度，因此，用这种材料制成地基的房屋可以储存太阳能电池板或风车一天产生的电能，并在需要时使用。而且，超级电容器的充电和放电速度比电池快得多。

        在进行了一系列测试以确定水泥、炭黑和水的最佳比例后，该团队演示了这一过程，他们制作了小型超级电容器，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起来，以展示它们能够点亮 3 伏发光二极管 (LED)。在证明了这一原理后，他们现在计划制造一系列更大的版本，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 45 立方米的版本，以展示其存储一栋房屋电量的能力。

        他们发现，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，但混凝土会稍微变弱，这可能适用于混凝土不发挥结构作用或不需要发挥混凝土全部强度潜力的应用。他们发现，对于地基或风力涡轮机底座的结构元件等应用，“最佳点”是混合物中炭黑含量约为 10%。

        碳水泥超级电容器的另一个潜在应用是修建混凝土道路，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能量输送给沿路行驶的电动汽车。德国和荷兰的公司已经在开发一种类似的汽车充电系统，但使用标准电池进行储存。

        研究人员表示，该技术的最初用途可能是用于远离电网的孤立房屋、建筑物或避难所，可以通过安装在水泥超级电容器上的太阳能电池板供电。

        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。“你可以将电极厚度从 1 毫米增加到 1 米，这样基本上就可以将储能容量从点亮 LED 几秒钟扩展到为整个房屋供电，”他说。

        根据特定应用所需的特性，可以通过调整混合物来调整系统。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，“你有一整天的时间充电”，因此可以使用充电速度较慢的材料，Ulm 说。

        “所以，这真的是一种多功能材料，”他补充道。除了能够以超级电容器的形式储存能量之外，同一种混凝土混合物还可以用作加热系统，只需向含碳混凝土通电即可。

        乌尔姆将此视为“作为能源转型一部分的展望混凝土未来的新方式”。

        研究团队还包括麻省理工学院土木与环境工程系的博士后 Nicolas Chanut 和 Damian Stefaniuk、Wyss 研究所的 James Weaver 以及麻省理工学院机械工程系的 Yunguang Zhu。这项工作得到了麻省理工学院混凝土可持续发展中心的支持，并得到了混凝土进步基金会的赞助。