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根據(jù)一項新的研究，人類最普遍的兩種歷史材料，水泥和炭黑(類似于非常精細(xì)的木炭)，可能成為一種新型低成本儲能系統(tǒng)的基礎(chǔ)材料。這項技術(shù)可以使能源網(wǎng)絡(luò)在可再生能源供應(yīng)波動的情況下保持穩(wěn)定，從而促進(jìn)太陽能、風(fēng)能和潮汐能等可再生能源的使用。

研究人員發(fā)現(xiàn)，這兩種材料可以與水結(jié)合，制成超級電容器——電池的替代品——可以儲存電能。

例如，開發(fā)該系統(tǒng)的麻省理工學(xué)院的研究人員說，他們的超級電容器最終可以被整合到房屋的混凝土基礎(chǔ)中，在那里它可以儲存一整天的能量，而基礎(chǔ)的成本很少(或根本沒有)，并且仍然可以提供所需的結(jié)構(gòu)強度。研究人員還設(shè)想了一條混凝土道路，可以為行駛在這條道路上的電動汽車提供非接觸式充電。

麻省理工學(xué)院教授Franz-Josef Ulm、Admir Masic和Yang-Shao Horn以及麻省理工學(xué)院和Wyss研究所的其他四人在《美國國家科學(xué)院院刊》(PNAS)上發(fā)表了一篇論文，描述了這項簡單但創(chuàng)新的技術(shù)。

電容器原則上是非常簡單的裝置，由浸沒在電解液中的兩個導(dǎo)電板組成，并由膜隔開。當(dāng)對電容器施加電壓時，來自電解質(zhì)的帶正電的離子積聚在帶負(fù)電的極板上，而帶正電的極板則積聚帶負(fù)電的離子。

由于板之間的膜阻止了帶電離子的遷移，這種電荷的分離在板之間產(chǎn)生了電場，電容器就帶電了。這兩個板可以維持這對電荷很長一段時間，然后在需要時非常迅速地提供它們。超級電容器就是能夠儲存超大容量電荷的電容器。

電容器能儲存的電量取決于其導(dǎo)電板的總表面積。該團隊開發(fā)的新型超級電容器的關(guān)鍵在于一種生產(chǎn)水泥基材料的方法，這種材料具有極高的內(nèi)表面積，這是由于其體積內(nèi)密集、相互連接的導(dǎo)電材料網(wǎng)絡(luò)。

研究人員將炭黑——一種高導(dǎo)電性的物質(zhì)——與水泥粉和水一起放入混凝土混合物中，并讓其固化。當(dāng)水與水泥發(fā)生反應(yīng)時，水在結(jié)構(gòu)中自然形成一個分支網(wǎng)絡(luò)，碳遷移到這些空間中，在硬化的水泥中形成線狀結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)具有類似分形的結(jié)構(gòu)，較大的分支會生出較小的分支，而這些分支會生出更小的分支，以此類推，最終在相對較小的體積范圍內(nèi)形成一個非常大的表面積。

然后將這種材料浸泡在標(biāo)準(zhǔn)的電解質(zhì)材料中，比如氯化鉀(一種鹽)，它提供了積聚在碳結(jié)構(gòu)上的帶電粒子。研究人員發(fā)現(xiàn)，由這種材料制成的兩個電極，由一個薄空間或絕緣層隔開，形成一個非常強大的超級電容器。

電容器的兩個極板的作用就像電壓相等的可充電電池的兩極一樣。當(dāng)連接到電源(如電池)時，能量存儲在板中，然后當(dāng)連接到負(fù)載時，電流流出來提供電力。

“這種材料令人著迷，”Masic說，“因為水泥是世界上使用最廣泛的人造材料，它與炭黑結(jié)合在一起，這是一種眾所周知的歷史材料——死海古卷就是用它寫成的。”當(dāng)你把這些至少有兩千年歷史的材料以一種特定的方式組合在一起時，你就會得到一種導(dǎo)電的納米復(fù)合材料，這就是事情變得真正有趣的時候。”

他說，隨著混合物凝固和固化，“水通過水泥水化反應(yīng)被系統(tǒng)地消耗掉，這種水化反應(yīng)從根本上影響了碳納米顆粒，因為它們是疏水的。”他說，隨著混合物的發(fā)展，“炭黑會自我組裝成一條相連的導(dǎo)電線。”

這個過程很容易復(fù)制，材料非常便宜，在世界上任何地方都可以輕易獲得。而且所需的碳量非常小——僅占混合物體積的3%——就能形成一個滲透的碳網(wǎng)絡(luò)，Masic說。

Ulm說，由這種材料制成的超級電容器在幫助世界向可再生能源過渡方面具有巨大的潛力。無排放能源的主要來源，如風(fēng)能、太陽能和潮汐能，都是在可變的時間產(chǎn)生它們的輸出，而這些時間往往與電力使用的高峰不一致，因此儲存電力的方法是必不可少的。

他說，對大型儲能系統(tǒng)的需求非常大，而現(xiàn)有的電池過于昂貴，而且主要依賴鋰等材料，而鋰的供應(yīng)有限，因此迫切需要更便宜的替代品。Ulm說：“我們的技術(shù)在這方面非常有前途，因為水泥無處不在。”

研究小組計算出，一塊45立方米大小的納米碳黑摻雜混凝土——相當(dāng)于一個直徑約3.5米的立方體——將有足夠的容量存儲大約10KWh的能量，這被認(rèn)為是一個家庭每天的平均用電量。

由于混凝土可以保持其強度，用這種材料做地基的房子可以儲存太陽能電池板或風(fēng)車產(chǎn)生的一天的能量，并在需要的時候使用。而且，這種超級電容器的充放電速度比電池快得多。

在進(jìn)行了一系列測試以確定水泥、炭黑和水的最有效比例之后，研究小組通過制造小型超級電容器來演示這一過程。超級電容器的大小與紐扣電池差不多，直徑約1厘米，厚度約1毫米，每個超級電容器都可以充電到1伏，相當(dāng)于1伏電池。然后，他們將其中的三個連接起來，以展示它們點亮3伏發(fā)光二極管(LED)的能力。

在證明了這一原理之后，他們現(xiàn)在計劃制造一系列更大的版本，從一個典型的12伏汽車電池大小開始，然后逐步發(fā)展到一個45立方米的版本，以展示其儲存一所房子電力的能力。

他們發(fā)現(xiàn)，在材料的存儲容量和結(jié)構(gòu)強度之間存在一種權(quán)衡。通過添加更多的炭黑，得到的超級電容器可以儲存更多的能量，但混凝土強度會稍微變?nèi)?，這對于混凝土不發(fā)揮結(jié)構(gòu)作用或不需要混凝土的全部強度潛力的應(yīng)用可能是有用的。

他們發(fā)現(xiàn)，對于基礎(chǔ)或風(fēng)力渦輪機基座的結(jié)構(gòu)元件等應(yīng)用，“最佳點”是混合物中約含10%的炭黑。

碳水泥超級電容器的另一個潛在應(yīng)用是建造混凝土道路，這些道路可以儲存路邊太陽能電池板產(chǎn)生的能量，然后將這些能量輸送給沿著道路行駛的電動汽車，使用與無線充電手機相同的技術(shù)。德國和荷蘭的公司已經(jīng)在開發(fā)一種相關(guān)的汽車充電系統(tǒng)，但使用的是標(biāo)準(zhǔn)電池。

研究人員說，這項技術(shù)的最初用途可能是在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的孤立的家庭、建筑物或避難所，這些地方可能由連接在水泥超級電容器上的太陽能電池板供電。

Ulm說，該系統(tǒng)是易于擴展的，因為能量存儲容量是電極體積的直接函數(shù)。他說：“你可以把1毫米厚的電極變成1米厚的電極，通過這樣做，你基本上可以將能量存儲容量從點亮一個LED幾秒鐘擴展到為整個房子供電。”

根據(jù)給定應(yīng)用程序所需的屬性，可以通過調(diào)整混合物來調(diào)整系統(tǒng)。Ulm說，對于一條汽車充電道路來說，需要非?？斓某浞烹娝俣龋鴮τ谝粋€家庭來說，“你有一整天的時間來充電”，所以可以使用充電速度較慢的材料。

他補充說：“因此，它確實是一種多功能材料。”除了能夠以超級電容器的形式儲存能量外，這種混凝土混合物還可以用作加熱系統(tǒng)，只需對含碳混凝土通電即可。

Ulm認(rèn)為這是“一種拓展混凝土未來的新方式，是能源轉(zhuǎn)型的一部分。”

研究團隊還包括麻省理工學(xué)院土木與環(huán)境工程系的博士后Nicolas Chanut和Damian Stefaniuk， Wyss生物啟發(fā)工程研究所的James Weaver和麻省理工學(xué)院機械工程系的Yunguang Zhu。這項工作得到了麻省理工學(xué)院混凝土可持續(xù)發(fā)展中心的支持，并得到了混凝土進(jìn)步基金會的贊助。

原標(biāo)題：水泥和炭黑！工程師們用古老的材料制造出了超級儲能容器