一项新的研究表明，人类最普遍的两种历史材料，水泥和炭黑（类似于非常细的木炭），可能会成为新型低成本储能系统的基础。该技术可以在可再生能源供应出现波动的情况下使能源网络保持稳定，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），可以提供电能存储。
举例来说，开发该系统的麻省理工学院的研究人员表示，他们的超级电容器最终可以融入房屋的混凝土地基中，在那里它可以存储一整天的能量，同时几乎不增加（或不增加）地基成本并仍然提供所需的结构强度。研究人员还设想了一条混凝土道路，可以为电动汽车在道路上行驶时提供非接触式充电。
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 研究所的其他四位教授在《PNAS》杂志上发表了一篇论文，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设备，由浸入电解质中并由膜隔开的两个导电板组成。当在电容器上施加电压时，来自电解质的带正电的离子积聚在带负电的板上，而带正电的板则积聚带负电的离子。
由于板之间的膜阻止带电离子迁移，因此电荷的分离在板之间产生电场，并且电容器充电。两块板可以长时间维持这对电荷，然后在需要时非常快速地输送它们。超级电容器只是可以存储异常大电荷的电容器。
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，该材料由于其体积内具有致密、互连的导电材料网络而具有极高的内表面积。
研究人员通过将高导电性炭黑与水泥粉和水一起引入混凝土混合物中并使其固化来实现这一目标。当水与水泥发生反应时，水自然在结构内形成开口的分支网络，碳迁移到这些空间中，在硬化水泥内形成线状结构。这些结构具有类似分形的结构，较大的分支会发芽较小的分支，而那些发芽的分支甚至更小，依此类推，最终在相对较小的体积范围内产生极大的表面积。
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被薄薄的空间或绝缘层隔开，形成了一个非常强大的超级电容器。
电容器的两个极板的作用就像等效电压的可充电电池的两个极一样。当连接到电源（如电池）时，能量会存储在极板中，然后当连接到负载时，电流会回流以提供电力。
“这种材料很有趣，”马西克说，“因为世界上使用最广泛的人造材料是水泥，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……你拥有这些至少有两千年历史的材料，当你以特定的方式将它们组合起来时，你就会得到一种导电纳米复合材料，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，这种水化从根本上影响碳纳米颗粒，因为它们是疏水性的（防水）。” 随着混合物的发展，“炭黑会自组装成连接的导线，”他说。
该过程很容易复制，所用材料便宜且在世界任何地方都容易获得。Masic 表示，实现渗透碳网络所需的碳量非常少，仅占混合物体积的 3%。
乌尔姆说，由这种材料制成的超级电容器具有帮助世界向可再生能源过渡的巨大潜力。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的时间产生电力，而这些时间通常与用电高峰不相符，因此存储电力的方法至关重要。
“对大型能源存储的需求巨大，”他说，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，因此急需更便宜的替代品。“这就是我们的技术非常有前途的地方，因为水泥无处不在，”乌尔姆说。
麻省理工学院的工程师创造了一种由古老、丰富的材料制成的“超级电容器”，可以储存大量能量。该设备仅由水泥、水和炭黑（类似于木炭粉）制成，可以构成存储间歇性可再生能源（例如太阳能或风能）的廉价系统的基础。图片来源：Franz-Josef Ulm、Admir Masic 和 Yang-Shao Horn
研究小组计算出，一块尺寸为 45 立方米（或码）的纳米碳黑混凝土块（相当于一个直径约 3.5 米的立方体）将有足够的容量来存储约 10 千瓦时的能量，即考虑一个家庭的平均每日用电量。
由于混凝土可以保持其强度，因此具有由这种材料制成的地基的房屋可以存储太阳能电池板或风车产生的一天的能量，并可以在需要时使用。而且，超级电容器的充电和放电速度比电池快得多。
经过一系列测试来确定水泥、炭黑和水的最有效比例后，该团队通过制造小型超级电容器来演示该过程，该电容器的大小与一些纽扣电池相当，宽约 1 厘米，厚约 1 毫米，每个可以充电至 1 伏，相当于 1 伏电池。然后，他们将其中的三个连接起来，以展示其点亮 3 伏发光二极管 (LED) 的能力。
证明了这一原理后，他们现在计划建造一系列更大的版本，从典型 12 伏汽车电池大小的版本开始，然后发展到 45 立方米的版本，以展示其存储房屋的能力-权力的价值。
他们发现，材料的存储容量与其结构强度之间存在权衡。通过添加更多的炭黑，所得的超级电容器可以存储更多的能量，但混凝土的强度稍弱，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非常有用。
他们发现，对于基础或风力涡轮机底座的结构元件等应用，“最佳点”是混合物中约 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，该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这些能量输送给沿路行驶的电动汽车。德国和荷兰的公司已经开发了一种相关类型的汽车充电系统，但使用标准电池进行存储。
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住宅、建筑物或避难所，这些房屋或避难所可以通过连接到水泥超级电容器的太阳能电池板供电。
乌尔姆说，该系统具有很强的可扩展性，因为能量存储容量是电极体积的直接函数。“你可以从 1 毫米厚的电极变成 1 米厚的电极，这样基本上你就可以扩展能量存储容量，从点亮 LED 几秒钟到为整个房子供电，”他说。
根据给定应用所需的性能，可以通过调整混合物来调整系统。乌尔姆说，对于车辆充电道路，需要非常快的充电和放电速率，而对于家庭供电，“你有一整天的时间来充电”，因此可以使用充电速度较慢的材料。
“所以，它确实是一种多功能材料，”他补充道。除了能够以超级电容器的形式储存能量外，同一种混凝土混合物还可以用作加热系统，只需向碳混凝土通电即可。
乌尔姆认为这是“作为能源转型一部分展望混凝土未来的新方式”。
参考链接：MIT engineers create an energy-storing supercapacitor from ancient materials；Demi Xia编译
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