未来充放电像呼吸一样简单
作者｜王磊 刘雅杰
你“家”可以变电池了。
最近麻省理工学院的一个新研究，有点突破常规认知，他们可以把房子变成一个巨大的“电池”。
这个团队将水、水泥、炭黑等的混合物变成了一种超级电容器，不仅可以存电，还可以放电。
目前大多数建筑物和道路都是由水泥混合物组成，想象一下，当你住的房子和道路都变成了大号充电宝。全面可再生的能源时代，还会远吗？
01、房子变电池
建造这种“超级电容器”，并不需要什么高精尖的科技材料，甚至非常简单，用的都是生活中最常见的原材料，而且都非常便宜 —— 水、水泥和炭黑。
我们不常听到的炭黑，也不是什么难以合成的材料。这是一种用于制造汽车轮胎的高导电材料，是不完全燃烧过程中产生的木炭杂质，可以用来制造墨水、颜料、橡胶...
将它们混合、凝固后，就可以获得一个储能高，而且几乎不损耗的导电纳米级复合材料。
其实原理也很简单，麻省理工学院的科学家发现，当水泥与水混合且静置一段时间后，水泥与水反应时，会产生一些空隙。
这时候炭黑派上了用场，将其混入混凝土混合物中后，由于其疏水性，排斥水分，碳会聚集在这些空隙中，自然形成一种类似于树枝状的网络，最后在凝固硬化的水泥中会形成一种线状的结构。
这些线状结构像树枝一样，会产生许多大的分支，大的分支又会产生更小的分支，更小的分支则会越来越小地分裂下去。最终致使在看起来极为有限的空间中形成巨大的表面积。
要知道，电容器的储能量是和电极的体积相关的，如果把 1 毫米变成 1 米，就能提供更多的电力。在极为有限的空间中，形成巨大的表面积这一特性，为接下来的储能上限的研究添加了极大的想象空间。
而加入的炭黑则担任了导电线的角色，水泥与水发生反应后这些线状结构就像是连接两个极板的桥梁，使得整个混合物具有了导电性。
项目参与者之一的马希奇（Admir Masic）表示，随着混合物的固化，水泥中的水化反应系统地消耗了水分，而这种水化反应主要影响碳纳米颗粒，因为它们具有疏水性。炭黑则会形成一条导电线。最重要的是，只需使用在地球上任何地方都能获得的这些廉价材料，就能轻易复制这一过程。
然后，他们将这种材料浸入常规电解质材料中，例如氯化钾，利用薄薄的空间或绝缘层隔开，氯化钾的带电粒子会沉淀在碳丝结构上。其结果是，就会形成一个非常强大的超级电容器，可以存储电能并达到 10000 次以上的稳定充放电循环。
不过严格来说，超级电容器并不等同于电池，而是介于电池和电容之间的一种储能装置。
简单来说，电池是将化学能转化为电能的装置，它通过在化学反应中将化学能转化为电子的形式来储存电能。其寿命有限，在能量转化的过程中会有损耗。
电容器的工作原理，则是在两个电导板之间积聚电荷，通过电场来储存电能。
而电容器储能和放电的过程不涉及化学反应，因此循环寿命很长，其充放电速度要比电池快得多。
但因为电容器的能量密度较低，放电速度过快等局限性，限制了电容器的应用场景。
而超级电容器，就是介于两者之间的一种特殊电容器，利用电极和电解质之间形成的静电双层来储存电荷，可以存储和释放比普通电容器更多的电能，并且可以比电池更快地充放电。
之所以研究这样的超级电容器，省理工学院土木工程教授、这项研究的作者之一的弗朗茨（Franz-Josef Ulm）表示，因为太阳能和风能并不总是可用，迅速建造更多价格合理的储能设备是摆脱化石燃料的必要条件。
而且超级电容器不会随着时间而降低储能能力，也不需要使用锂离子电池中那些昂贵、有争议的材料，如钴和锂。由于炭黑很便宜，其成本跟混凝土的成本差不多。
极低的成本下，有着相当广阔的落地空间。
比如应用在房屋建设中，通过电缆连接屋顶上的太阳能板，使用这种材料制成的地基可以用来储存与房屋一天内使用量相当的太阳能。
房子就会变身成为一个巨大的充电宝，随用随储。
这个团队的研究还发现，添加的炭黑越多，超级电容器存储的能量就越多，不过混凝土结构强度也会下降，所以可以针对所需混凝土结构的强度不同，来添加炭黑的比例造出不同的混凝土“电池”。
不仅如此，在风力发电场中，它可以用于风力涡轮机的底座，这种混凝土还可以用来制造道路，可以在电动汽车经过该路面时为其提供非接触式充电。
这就比较有意思了，在经过一系列研究石墨烯、炉子炼超导等大费周章的手段以后，这一次人们需要的，也许仅仅只是一台搅拌机。
02、仍在起步阶段
其实这项技术并非刚刚问世，在 2023 年，麻省理工的这个团队就在《PNAS Nexus》杂志上发表了“混凝土电池”的文章，并且还做出了小型样品。
该团队当时认为，一个家庭的平均每日用电量约为 10 千瓦时。根据计算，一块尺寸为 45 立方米（或码）的纳米炭黑掺杂混凝土，也就是一个约 3.5 米宽的立方体 ，储存一日所需能量绰绰有余。
由它造成的房子还能一直存储太阳能发电或者风力发电带来的能量，而且它的特性决定充放电速度比我们现在常用的电池要快得多。只要有需要，无论什么物品，都可以自由使用它储备的电源。
理论成立的情况下，他们也开始实操。在测试确定水泥、炭黑和水的最佳比例之后，该团队造出了一些和纽扣电池差不多大小的超级容电器。每个超级电容器可以充电到 1 伏特，连接其中三个就可以看到这些小东西点亮 3 伏发光二极管（LED）的能力。
证明可行性之后，他们计划从建造一个大约 12 伏汽车电池大小的版本开始，慢慢增加到 45 立方米，而且他们还设想，用这种混凝土材料来铺路。借助感应技术，路过的电动汽车就可以边移动边充电。
不过截至目前，这项技术仍处于起步阶段。他们目前验证的结论是，炭水泥超级电容器只能存储为 10 瓦的 LED 供电 30 小时的能量。
此外，早在 2021 年，瑞典查尔姆斯理工大学（Chalmers University of Technology）的一个团队称，已经研究出了可充电混凝土的雏形，与之前的容量相比，储存的电量增加了 900% 以上。
他们的研究人员首先在以水泥为基础的混合物中加入少量的短碳纤维，然后在混合物中嵌入一个金属涂层的碳纤维网，铁为阳极、镍为阴极。
和用土豆制作电池类似，这个装置被证明能够进行放电然后再充电。尽管采用新的设计其储能比之前的容量多出 10 倍。但实验中，该电池平均能量密度为每平方米 7 瓦时（或每升 0.8 瓦时），与商业电池相比能量密度很低。
根据这项研究的联合作者 Emma Zhang 的发言，这个装置 200 平方米的储能仅可以供应一个典型美国家庭每日用电量的 8%。
显然，麻省理工的研究已经不再需要在混凝土中铺设网状电极，并且性能也比瑞典团队的装置更高。
虽然说“混凝土电池”的研究仍处于实验室阶段，但是超级电容器的应用范围已经很广。在我们的日常生活中，像手机、相机、路灯、电动玩具等设备都可以见到超级电容器的身影。
举个例子，由于其充放电速度快、重复使用次数多，超级电容器在轨道交通领域被广泛使用。
2020 年，上海市新增了 89 辆超级电容公交车，覆盖了中心城区的五条主要线路。这些公交车可以利用乘客上下车的间隙，1 分钟的时间就能充满电，并且续航里程达到 10-15 千米。
同样，它也被应用于分布式发电和配电网系统、军事设备、有轨电车等领域。
可以预见，当我们攻克超级电容器存电量不足、工作电压较低等挑战后，“混凝土电池”才会落地有望。很多人的“家”，也能变成小型发电站了。
本文来自微信公众号：超电实验室 （ID：SuperEV-Lab），作者：王磊 刘雅杰
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