水泥和炭黑！工程师们用古老的材料制造出了超级储能容器

　　根据一项新的研究，人类最普遍的两种历史材料，水泥和炭黑(类似于非常精细的木炭)，可能成为一种新型低成本储能系统的基础材料。这项技术可以使能源网络在可再生能源供应波动的情况下保持稳定，从而促进太阳能、风能和潮汐能等可再生能源的使用。

　　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——可以储存电能。

　　例如，开发该系统的麻省理工学院的研究人员说，他们的超级电容器最终可以被整合到房屋的混凝土基础中，在那里它可以储存一整天的能量，而基础的成本很少(或根本没有)，并且仍然可以提供所需的结构强度。研究人员还设想了一条混凝土道路，可以为行驶在这条道路上的电动汽车提供非接触式充电。

　　麻省理工学院教授Franz-Josef Ulm、Admir Masic和Yang-Shao Horn以及麻省理工学院和Wyss研究所的其他四人在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上发表了一篇论文，描述了这项简单但创新的技术。

　　电容器原则上是非常简单的装置，由浸没在电解液中的两个导电板组成，并由膜隔开。当对电容器施加电压时，来自电解质的带正电的离子积聚在带负电的极板上，而带正电的极板则积聚带负电的离子。

　　由于板之间的膜阻止了带电离子的迁移，这种电荷的分离在板之间产生了电场，电容器就带电了。这两个板可以维持这对电荷很长一段时间，然后在需要时非常迅速地提供它们。超级电容器就是能够储存超大容量电荷的电容器。

　　电容器能储存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，这种材料具有极高的内表面积，这是由于其体积内密集、相互连接的导电材料网络。

　　研究人员将炭黑——一种高导电性的物质——与水泥粉和水一起放入混凝土混合物中，并让其固化。当水与水泥发生反应时，水在结构中自然形成一个分支网络，碳迁移到这些空间中，在硬化的水泥中形成线状结构。这些结构具有类似分形的结构，较大的分支会生出较小的分支，而这些分支会生出更小的分支，以此类推，最终在相对较小的体积范围内形成一个非常大的表面积。

　　然后将这种材料浸泡在标准的电解质材料中，比如氯化钾(一种盐)，它提供了积聚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，形成一个非常强大的超级电容器。

　　电容器的两个极板的作用就像电压相等的可充电电池的两极一样。当连接到电源(如电池)时，能量存储在板中，然后当连接到负载时，电流流出来提供电力。

　　“这种材料令人着迷，”Masic说，“因为水泥是世界上使用最广泛的人造材料，它与炭黑结合在一起，这是一种众所周知的历史材料——死海古卷就是用它写成的。”当你把这些至少有两千年历史的材料以一种特定的方式组合在一起时，你就会得到一种导电的纳米复合材料，这就是事情变得真正有趣的时候。”

　　他说，随着混合物凝固和固化，“水通过水泥水化反应被系统地消耗掉，这种水化反应从根本上影响了碳纳米颗粒，因为它们是疏水的。”他说，随着混合物的发展，“炭黑会自我组装成一条相连的导电线。”

　　这个过程很容易复制，材料非常便宜，在世界上任何地方都可以轻易获得。而且所需的碳量非常小——仅占混合物体积的3%——就能形成一个渗透的碳网络，Masic说。

　　Ulm说，由这种材料制成的超级电容器在帮助世界向可再生能源过渡方面具有巨大的潜力。无排放能源的主要来源，如风能、太阳能和潮汐能，都是在可变的时间产生它们的输出，而这些时间往往与电力使用的高峰不一致，因此储存电力的方法是必不可少的。

　　他说，对大型储能系统的需求非常大，而现有的电池过于昂贵，而且主要依赖锂等材料，而锂的供应有限，因此迫切需要更便宜的替代品。Ulm说：“我们的技术在这方面非常有前途，因为水泥无处不在。”

　　研究小组计算出，一块45立方米大小的纳米碳黑掺杂混凝土——相当于一个直径约3.5米的立方体——将有足够的容量存储大约10KWh的能量，这被认为是一个家庭每天的平均用电量。

　　由于混凝土可以保持其强度，用这种材料做地基的房子可以储存太阳能电池板或风车产生的一天的能量，并在需要的时候使用。而且，这种超级电容器的充放电速度比电池快得多。

　　在进行了一系列测试以确定水泥、炭黑和水的最有效比例之后，研究小组通过制造小型超级电容器来演示这一过程。超级电容器的大小与纽扣电池差不多，直径约1厘米，厚度约1毫米，每个超级电容器都可以充电到1伏，相当于1伏电池。然后，他们将其中的三个连接起来，以展示它们点亮3伏发光二极管(LED)的能力。

　　在证明了这一原理之后，他们现在计划制造一系列更大的版本，从一个典型的12伏汽车电池大小开始，然后逐步发展到一个45立方米的版本，以展示其储存一所房子电力的能力。

　　他们发现，在材料的存储容量和结构强度之间存在一种权衡。通过添加更多的炭黑，得到的超级电容器可以储存更多的能量，但混凝土强度会稍微变弱，这对于混凝土不发挥结构作用或不需要混凝土的全部强度潜力的应用可能是有用的。

　　他们发现，对于基础或风力涡轮机基座的结构元件等应用，“最佳点”是混合物中约含10%的炭黑。

　　碳水泥超级电容器的另一个潜在应用是建造混凝土道路，这些道路可以储存路边太阳能电池板产生的能量，然后将这些能量输送给沿着道路行驶的电动汽车，使用与无线充电手机相同的技术。德国和荷兰的公司已经在开发一种相关的汽车充电系统，但使用的是标准电池。

　　研究人员说，这项技术的最初用途可能是在远离电网的孤立的家庭、建筑物或避难所，这些地方可能由连接在水泥超级电容器上的太阳能电池板供电。

　　Ulm说，该系统是易于扩展的，因为能量存储容量是电极体积的直接函数。他说：“你可以把1毫米厚的电极变成1米厚的电极，通过这样做，你基本上可以将能量存储容量从点亮一个LED几秒钟扩展到为整个房子供电。”

　　根据给定应用程序所需的属性，可以通过调整混合物来调整系统。Ulm说，对于一条汽车充电道路来说，需要非常快的充放电速度，而对于一个家庭来说，“你有一整天的时间来充电”，所以可以使用充电速度较慢的材料。

　　他补充说：“因此，它确实是一种多功能材料。”除了能够以超级电容器的形式储存能量外，这种混凝土混合物还可以用作加热系统，只需对含碳混凝土通电即可。

　　Ulm认为这是“一种拓展混凝土未来的新方式，是能源转型的一部分。”

　　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生物启发工程研究所的James Weaver和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。

　　（素材来自：麻省理工学院 全球储能网、新能源网综合）