混凝土化身巨型“电池”，麻省理工开辟储能新道路

在我们的日常认识中，水泥、混凝土这种随处可见的建筑材料本身都不是导体，自然也不具备导电性能。不过，为了应对风电、光伏等可再生能源所带来的间歇性和不稳定性问题，近年来科学家门开始致力于研究混凝土的储能性能。早在2023年，麻省理工学院（MIT）的研究人员就找到了一种将水泥、水和炭黑结合在一起的方法，制造出一种用于储能的“超级电容器” ，为新型储能打开了一条前所未有的新道路。

他们创造出的导电碳混凝土（ec3）由水泥、水、超细炭黑（含纳米级颗粒）和电解质混合而成，在混凝土内部形成导电的“纳米网络”，使墙壁、人行道和桥梁等日常结构能够储存和释放电能。

现在，他们已经将这种导电碳混凝土的存储容量扩大了近 10 倍，这意味着我们正在逐步将混凝土变成建筑物大小的电池。有朝一日，构建了现实世界的混凝土或将化身巨型“电池”，成为人类储存和使用能源的新伙伴。

麻省理工学院的研究人员在一篇新发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）的论文中报告称，他们对替代离子和有机电解质的探索进一步改善了电化学行为，优化的电解质和制造工艺使最新的EC3“超级电容器”的能量密度比之前的设计提高了10倍。

这一容量比之前版本的多功能材料在 2023 年存储相同能量所需的 45 立方米空间大幅下降。从另一个角度来看，一立方米升级版 ec3（大约相当于一台冰箱的大小）可以存储超过 2 千瓦时的电能，足以让一台真正的冰箱运行一天。

目前，他们已经成功制造了一个12 V、50 F的超级电容器模块和一个9 V的拱形原型，并将储能功能集成到承重建筑构件中。这个拱形集成结构，既能承载结构重量，又能为 LED 供电。

谈及这项新研究，麻省理工学院电子传导碳水泥基材料中心（EC³ Hub）联合主任、麻省理工学院土木与环境工程（CEE）副教授阿德米尔·马西奇（Admir Masic）表示：“混凝土可持续性的关键在于开发‘多功能混凝土’，它集储能、 自修复和碳封存等功能于一体。混凝土已经是世界上使用最广泛的建筑材料，那么为什么不利用这种规模来创造其他效益呢？”

图说：基于 ec3 的拱形结构既能承载结构重量又能为 LED 供电

来源：MIT

之前，麻省理工学院的研究团队通过以下方式创建了 ec3：首先将高导电性炭黑、水泥粉和水固化成混凝土混合物；然后将该材料浸泡在氯化钾等电解质中，电解质提供在碳结构上积聚的带电粒子。由这种特殊混凝土制成的两个电极，由一层薄薄的空隙或绝缘层隔开，形成了一个可以储存能量的超级电容器。

这些导电通路则使水泥“超级电容器”能够快速存储大量能量。研究小组当时计算得出，一块体积为45立方米（相当于一个直径约3.5米的立方体）、掺有纳米碳黑的混凝土，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。

此次导电碳混凝土能量密度的提升主要得益于对ec3内部纳米炭黑网络如何运作以及如何与电解质相互作用的深入了解。马西奇副教授表示：“了解这些材料如何在纳米尺度上‘组装’是实现这些新功能的关键。”

EC³中心和麻省理工学院混凝土可持续性中心的团队利用聚焦离子束逐层去除ec3材料的薄层，然后用扫描电子显微镜（一种名为FIB-SEM断层扫描的技术）对每一层进行高分辨率成像，最终以迄今为止最高的分辨率重建了导电纳米网络。

通过这种方法，研究团队发现该网络本质上是一个类似分形的“网”，它包围着ec3的孔隙，正是这种孔隙使得电解质能够渗透，电流能够流过整个系统。

随后，研究人员尝试了多种不同的电解质，以找到ec3的可行候选材料，以及能够储存更多能量且无需后固化步骤的更厚电极。当团队改用有机电解质时，取得了最佳性能，他们选择了季铵盐常见于消毒剂等日常用品中）与一种名为乙腈的常见导电液体相结合的有机电解质。

图说：EC3 超级电容器原型为电脑风扇和游戏机供电

来源：MIT

新的EC3电解质一立方米（大约相当于一台冰箱的大小）可以储存超过2千瓦时的能量，足以为一台真正的冰箱提供一天的电力。

受古罗马建筑的启发，研究人员建造了一个模型大小的拱门，以展示ec3的结构承重和储能能力。该拱门以 9 伏电压运行，能够支撑自身重量和额外负载，同时为 LED 灯供电。

有趣的是，当施加荷载对拱门施加压力时，灯光会闪烁。“这可能存在一种自我监控能力，” 马西奇解释说。“如果我们从建筑尺度来看待 ec3 拱门，它的输出可能会在受到强风等压力源的影响时发生波动。我们或许可以将其作为结构何时以及在何种程度上受到压力的信号，或者实时监测其整体健康状况。”

图说：ec3 此前曾被用于加热日本札幌的人行道板

来源：MIT

目前ec3技术的最新进展使其距离实际可扩展性更近了一步。由于其导热性能，该技术已被用于 加热日本札幌的人行道板，代表着一种潜在的盐浴替代方案。

论文第一作者、EC³ 中心研究科学家 Damian Stefaniuk解释说：“凭借更高的能量密度和在更广泛应用领域中展现的价值，我们现在拥有了一种强大而灵活的工具，可以帮助我们应对各种持续存在的能源挑战。我们最大的动机之一是帮助实现可再生能源转型。”

EC³ 中心联合主任兼 CEE 教授 Franz-Josef Ulm 补充说道：“答案是，你需要一种储存和释放能量的方式。这通常意味着电池，而电池往往依赖于稀缺或有害的材料。我们相信 EC³是 一个可行的替代方案，它能让我们的建筑和基础设施满足我们的储能需求。”

该团队正在致力于开发可为电动汽车充电的停车位和道路等应用，以及可以完全脱离电网运行的住宅。该团队承认，虽然大多数商用电池的能量密度比 ec3 高得多，但这感觉像是重新设计一种普遍存在的材料并使其更加有用的第一步。