中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：在我們的常識(shí)里，水泥、混凝土這種建材本身都不是導(dǎo)體，自然也不具備導(dǎo)電性能。
但令人意想不到的是，麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員最近通過(guò)將水、水泥與炭黑相結(jié)合，創(chuàng)造了一種布滿微觀電通路的材料，硬是讓這種基礎(chǔ)建材具備了存儲(chǔ)大量電能的特質(zhì)，制備出了“反常識(shí)”的“導(dǎo)電水泥”，或者也可以叫做“能源水泥”。
這項(xiàng)頗具“重新定義儲(chǔ)能方式”潛力的項(xiàng)目，由首席研究員斯特凡紐克（Damian Stefaniuk）博士所領(lǐng)導(dǎo)，最新研究成果發(fā)表在《國(guó)家科學(xué)院院刊》上。
我們都知道可再生能源具有間歇性和不穩(wěn)定性，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，且發(fā)電時(shí)間和用戶用電時(shí)間往往不匹配，因此儲(chǔ)能設(shè)施就變得尤為重要。
不過(guò)，傳統(tǒng)的鋰電池儲(chǔ)能一直以來(lái)在安全性上面臨挑戰(zhàn)，鋰資源的供應(yīng)問(wèn)題也嚴(yán)重限制了的規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用；此外，鋰電池的生產(chǎn)和廢棄處理也會(huì)對(duì)環(huán)境有較大影響。
而MIT研究人員的制備出的這種水泥“超級(jí)電容器”，為新型儲(chǔ)能打開(kāi)了一條從未設(shè)想的道路——原本不可導(dǎo)電的建材水泥，竟然有潛力成為家庭和基礎(chǔ)設(shè)施供電不可或缺的組成部分，這與建材的屬性天然契合，直接把房屋變成了一個(gè)巨型儲(chǔ)能電池。
Stefaniuk博士清楚地回憶起能源水泥第一次發(fā)電點(diǎn)亮LED燈管時(shí)的情景：“一開(kāi)始我并不相信，我以為是因?yàn)槲覜](méi)有斷開(kāi)外部電源，所以LED才會(huì)亮?！?
這種導(dǎo)電水泥的“玄機(jī)”在于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與成分。
研究人員將導(dǎo)電性極強(qiáng)的炭黑、水泥粉和水一起加入混凝土混合物中，當(dāng)水與水泥發(fā)生反應(yīng)時(shí)，會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)自然形成分叉開(kāi)口的網(wǎng)絡(luò)，而碳則會(huì)遷移到這些空間中，在硬化的水泥中形成線狀結(jié)構(gòu)。
用論文共同作者之一馬西奇（,Admir Masic）博士的話來(lái)說(shuō)，就是“炭黑自組裝成了一條不斷連接的導(dǎo)電線?！?
該制備過(guò)程很容易復(fù)制，且材料價(jià)格低廉，在世界各地都很容易買到。材料所需的碳量也非常少——僅占混凝土混合物體積的3%，就能形成致密、相互連接的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。
而這些導(dǎo)電通路則使水泥“超級(jí)電容器”能夠快速存儲(chǔ)大量能量。
研究小組計(jì)算得出，一塊體積為45立方米（相當(dāng)于一個(gè)直徑約3.5米的立方體）、摻有納米碳黑的混凝土，足以儲(chǔ)存約10千瓦時(shí)的電能，這相當(dāng)于一個(gè)家庭的日平均用電量。
在進(jìn)行了一系列測(cè)試以確定水泥、炭黑和水的最佳比例后，研究小組首先制作出了小型超級(jí)電容器，其大小與紐扣電池相當(dāng)，直徑約1厘米，厚度約1毫米，每個(gè)超級(jí)電容器的充電電壓為1伏，與1伏電池相當(dāng)。
然后，他們將其中三個(gè)超級(jí)電容器連接了起來(lái)，實(shí)驗(yàn)證明它們能夠點(diǎn)亮3伏的發(fā)光二極管 (LED)。
在證明了這一原理后，他們正在計(jì)劃制造一系列體積更大的版本，首先是與典型的12伏汽車電池大小相當(dāng)?shù)陌姹?，然后再制造出理論?jì)算中45立方米的版本，以展示其存儲(chǔ)一棟房屋電量的能力。
此外，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這種材料的存儲(chǔ)容量和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之間存在權(quán)衡。
通過(guò)添加更多炭黑制成的超級(jí)電容器可以存儲(chǔ)更多能量，但混凝土強(qiáng)度會(huì)稍微變?nèi)?，這可能適用于不需要混凝土發(fā)揮其全部強(qiáng)度潛力的應(yīng)用。
他們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于地基或風(fēng)機(jī)底座的結(jié)構(gòu)元件等應(yīng)用，“最佳比例”是混合物中炭黑含量約為 10%。
研究人員對(duì)于這種水泥儲(chǔ)能的應(yīng)用主要有兩方面的設(shè)想。
一種是發(fā)揮建材的基本作用，尤其是可以與戶用太陽(yáng)能光伏板相結(jié)合，建設(shè)“房屋儲(chǔ)能電池”。
MIT的研究人員表示，他們的超級(jí)電容器可以整合到房屋的混凝土地基中，并在那里儲(chǔ)存太陽(yáng)能電池板或風(fēng)機(jī)一天產(chǎn)生的電能，在需要時(shí)供用戶使用。
這種方式幾乎不增加地基成本，且仍能提供房屋地基所需的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
這種超級(jí)電容器的另一個(gè)潛在應(yīng)用是修建混凝土道路，并為電動(dòng)汽車提供“非接觸式充電”。
由于“超級(jí)電容器”的充電和放電速度比普通電池快得多，這種道路可以儲(chǔ)存路邊太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的能量，然后使用與無(wú)線充電手機(jī)相同的技術(shù)將電能輸送給沿路行駛的電動(dòng)汽車。
目前德國(guó)和荷蘭的公司已經(jīng)在開(kāi)發(fā)一種類似的汽車充電系統(tǒng)，但使用的是標(biāo)準(zhǔn)鋰電池進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存。
論文的另一位共同作者烏爾姆（Franz-Josef Ulm）表示，該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，因?yàn)閮?chǔ)能容量直接取決于電極的體積。
而根據(jù)特定應(yīng)用所需的特性，還可以通過(guò)調(diào)整混合物成分比例來(lái)調(diào)整電池系統(tǒng)性質(zhì)。
對(duì)于汽車充電道路，需要非?？斓某潆姾头烹娝俾剩鴮?duì)于家庭供電，則可以使用充電速度較慢的材料比例。
“所以，這真的是一種多功能材料，” 烏爾姆補(bǔ)充道。除了能夠以超級(jí)電容器的形式儲(chǔ)存能量之外，這種混凝土混合物還可以用作加熱系統(tǒng)，只需向混凝土通電即可。
“這種材料非常迷人，”馬西奇說(shuō)，“因?yàn)樗嗍鞘澜缟鲜褂米顝V泛的人造材料，而炭黑則是一種著名的古代材料——《死海古卷》就是用炭黑書(shū)寫(xiě)的。”
不過(guò)，能源水泥也存在一些挑戰(zhàn)。目前，水泥超級(jí)電容器的放電速度很快，因此還不適合需要穩(wěn)定功率輸出的應(yīng)用。
當(dāng)這項(xiàng)技術(shù)真正成熟、走出實(shí)驗(yàn)室之后，這種其貌不揚(yáng)的黑色混凝土塊或許真的可以改寫(xiě)能源儲(chǔ)存的未來(lái)。
