你“家”可以變電池了。
近麻省理工學(xué)院的一個(gè)新研究，有點(diǎn)突破常規(guī)認(rèn)知，他們可以把房子變成一個(gè)巨大的“電池”。
這個(gè)團(tuán)隊(duì)將水、水泥、炭黑等的混合物變成了一種超級(jí)電容器，不僅可以存電，還可以放電。
目前大多數(shù)建筑物和道路都是由水泥混合物組成，想象一下，當(dāng)你住的房子和道路都變成了大號(hào)充電寶。全面可再生的能源時(shí)代，還會(huì)遠(yuǎn)嗎？
01、 房子變電池
建造這種“超級(jí)電容器”，并不需要什么高精尖的科技材料，甚至非常簡(jiǎn)單，用的都是生活中常見(jiàn)的原材料，而且都非常便宜——水、水泥和炭黑。
我們不常聽(tīng)到的炭黑，也不是什么難以合成的材料。這是一種用于制造汽車輪胎的高導(dǎo)電材料，是不完全燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的木炭雜質(zhì)，可以用來(lái)制造墨水、顏料、橡膠...
將它們混合、凝固后，就可以獲得一個(gè)儲(chǔ)能高，而且?guī)缀醪粨p耗的導(dǎo)電納米級(jí)復(fù)合材料。
其實(shí)原理也很簡(jiǎn)單，麻省理工學(xué)院的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水泥與水混合且靜置一段時(shí)間后，水泥與水反應(yīng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一些空隙。
這時(shí)候炭黑派上了用場(chǎng)，將其混入混凝土混合物中后，由于其疏水性，排斥水分，碳會(huì)聚集在這些空隙中，自然形成一種類似于樹(shù)枝狀的網(wǎng)絡(luò)，后在凝固硬化的水泥中會(huì)形成一種線狀的結(jié)構(gòu)。
這些線狀結(jié)構(gòu)像樹(shù)枝一樣，會(huì)產(chǎn)生許多大的分支，大的分支又會(huì)產(chǎn)生更小的分支，更小的分支則會(huì)越來(lái)越小地分裂下去。終致使在看起來(lái)極為有限的空間中形成巨大的表面積。
要知道，電容器的儲(chǔ)能量是和電極的體積相關(guān)的，如果把1毫米變成1米，就能提供更多的電力。在極為有限的空間中，形成巨大的表面積這一特性，為接下來(lái)的儲(chǔ)能上限的研究添加了極大的想象空間。
而加入的炭黑則擔(dān)任了導(dǎo)電線的角色，水泥與水發(fā)生反應(yīng)后這些線狀結(jié)構(gòu)就像是連接兩個(gè)極板的橋梁，使得整個(gè)混合物具有了導(dǎo)電性。
項(xiàng)目參與者之一的馬希奇（Admir Masic）表示，隨著混合物的固化，水泥中的水化反應(yīng)系統(tǒng)地消耗了水分，而這種水化反應(yīng)主要影響碳納米顆粒，因?yàn)樗鼈兙哂惺杷浴Ｌ亢趧t會(huì)形成一條導(dǎo)電線。重要的是，只需使用在地球上任何地方都能獲得的這些廉價(jià)材料，就能輕易復(fù)制這一過(guò)程。
然后，他們將這種材料浸入常規(guī)電解質(zhì)材料中，例如氯化鉀，利用薄薄的空間或絕緣層隔開(kāi)，氯化鉀的帶電粒子會(huì)沉淀在碳絲結(jié)構(gòu)上。其結(jié)果是，就會(huì)形成一個(gè)非常強(qiáng)大的超級(jí)電容器，可以存儲(chǔ)電能并達(dá)到10000次以上的穩(wěn)定充放電循環(huán)。
不過(guò)嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，超級(jí)電容器并不等同于電池，而是介于電池和電容之間的一種儲(chǔ)能裝置。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，它通過(guò)在化學(xué)反應(yīng)中將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電子的形式來(lái)儲(chǔ)存電能。其壽命有限，在能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程中會(huì)有損耗。
電容器的工作原理，則是在兩個(gè)電導(dǎo)板之間積聚電荷，通過(guò)電場(chǎng)來(lái)儲(chǔ)存電能。
而電容器儲(chǔ)能和放電的過(guò)程不涉及化學(xué)反應(yīng)，因此循環(huán)壽命很長(zhǎng)，其充放電速度要比電池快得多。
但因?yàn)殡娙萜鞯哪芰棵芏容^低，放電速度過(guò)快等局限性，限制了電容器的應(yīng)用場(chǎng)景。
而超級(jí)電容器，就是介于兩者之間的一種特殊電容器，利用電極和電解質(zhì)之間形成的靜電雙層來(lái)儲(chǔ)存電荷，可以存儲(chǔ)和釋放比普通電容器更多的電能，并且可以比電池更快地充放電。
之所以研究這樣的超級(jí)電容器，省理工學(xué)院土木工程教授、這項(xiàng)研究的作者之一的弗朗茨（Franz-Josef Ulm）表示，因?yàn)樘?yáng)能和風(fēng)能并不總是可用，迅速建造更多價(jià)格合理的儲(chǔ)能設(shè)備是擺脫化石燃料的必要條件。
而且超級(jí)電容器不會(huì)隨著時(shí)間而降低儲(chǔ)能能力，也不需要使用鋰離子電池中那些昂貴、有爭(zhēng)議的材料，如鈷和鋰。由于炭黑很便宜，其成本跟混凝土的成本差不多。
極低的成本下，有著相當(dāng)廣闊的落地空間。
比如應(yīng)用在房屋建設(shè)中，通過(guò)電纜連接屋頂上的太陽(yáng)能板，使用這種材料制成的地基可以用來(lái)儲(chǔ)存與房屋一天內(nèi)使用量相當(dāng)?shù)奶?yáng)能。
房子就會(huì)變身成為一個(gè)巨大的充電寶，隨用隨儲(chǔ)。
這個(gè)團(tuán)隊(duì)的研究還發(fā)現(xiàn)，添加的炭黑越多，超級(jí)電容器存儲(chǔ)的能量就越多，不過(guò)混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也會(huì)下降，所以可以針對(duì)所需混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不同，來(lái)添加炭黑的比例造出不同的混凝土“電池”。
不僅如此，在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)中，它可以用于風(fēng)力渦輪機(jī)的底座，這種混凝土還可以用來(lái)制造道路，可以在電動(dòng)汽車經(jīng)過(guò)該路面時(shí)為其提供非接觸式充電。
這就比較有意思了，在經(jīng)過(guò)一系列研究石墨烯、爐子煉超導(dǎo)等大費(fèi)周章的手段以后，這一次人們需要的，也許僅僅只是一臺(tái)攪拌機(jī)。
02、仍在起步階段
其實(shí)這項(xiàng)技術(shù)并非剛剛問(wèn)世，在2023年，麻省理工的這個(gè)團(tuán)隊(duì)就在《PNAS Nexus》雜志上發(fā)表了“混凝土電池”的文章，并且還做出了小型樣品。
該團(tuán)隊(duì)當(dāng)時(shí)認(rèn)為，一個(gè)家庭的平均每日用電量約為10千瓦時(shí)。根據(jù)計(jì)算，一塊尺寸為45立方米（或碼）的納米炭黑摻雜混凝土，也就是一個(gè)約3.5米寬的立方體 ，儲(chǔ)存一日所需能量綽綽有余。
由它造成的房子還能一直存儲(chǔ)太陽(yáng)能發(fā)電或者風(fēng)力發(fā)電帶來(lái)的能量，而且它的特性決定充放電速度比我們現(xiàn)在常用的電池要快得多。只要有需要，無(wú)論什么物品，都可以自由使用它儲(chǔ)備的電源。
理論成立的情況下，他們也開(kāi)始實(shí)操。在測(cè)試確定水泥、炭黑和水的佳比例之后，該團(tuán)隊(duì)造出了一些和紐扣電池差不多大小的超級(jí)容電器。每個(gè)超級(jí)電容器可以充電到1伏特，連接其中三個(gè)就可以看到這些小東西點(diǎn)亮3伏發(fā)光二極管（LED）的能力。
證明可行性之后，他們計(jì)劃從建造一個(gè)大約12伏汽車電池大小的版本開(kāi)始，慢慢增加到45立方米，而且他們還設(shè)想，用這種混凝土材料來(lái)鋪路。借助感應(yīng)技術(shù)，路過(guò)的電動(dòng)汽車就可以邊移動(dòng)邊充電。
不過(guò)截至目前，這項(xiàng)技術(shù)仍處于起步階段。他們目前驗(yàn)證的結(jié)論是，炭水泥超級(jí)電容器只能存儲(chǔ)為10瓦的LED供電30小時(shí)的能量。
此外，早在2021 年，瑞典查爾姆斯理工大學(xué)（Chalmers University of Technology）的一個(gè)團(tuán)隊(duì)稱，已經(jīng)研究出了可充電混凝土的雛形，與之前的容量相比，儲(chǔ)存的電量增加了900%以上。
他們的研究人員首先在以水泥為基礎(chǔ)的混合物中加入少量的短碳纖維，然后在混合物中嵌入一個(gè)金屬涂層的碳纖維網(wǎng)，鐵為陽(yáng)極、鎳為陰極。
和用土豆制作電池類似，這個(gè)裝置被證明能夠進(jìn)行放電然后再充電。盡管采用新的設(shè)計(jì)其儲(chǔ)能比之前的容量多出10倍。但實(shí)驗(yàn)中，該電池平均能量密度為每平方米7瓦時(shí)（或每升0.8瓦時(shí)），與商業(yè)電池相比能量密度很低。
根據(jù)這項(xiàng)研究的聯(lián)合作者Emma Zhang的發(fā)言，這個(gè)裝置200平方米的儲(chǔ)能僅可以供應(yīng)一個(gè)典型美國(guó)家庭每日用電量的8%。
顯然，麻省理工的研究已經(jīng)不再需要在混凝土中鋪設(shè)網(wǎng)狀電極，并且性能也比瑞典團(tuán)隊(duì)的裝置更高。
雖然說(shuō)“混凝土電池”的研究仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，但是超級(jí)電容器的應(yīng)用范圍已經(jīng)很廣。在我們的日常生活中，像手機(jī)、相機(jī)、路燈、電動(dòng)玩具等設(shè)備都可以見(jiàn)到超級(jí)電容器的身影。
舉個(gè)例子，由于其充放電速度快、重復(fù)使用次數(shù)多，超級(jí)電容器在軌道交通領(lǐng)域被廣泛使用。
2020年，上海市新增了89輛超級(jí)電容公交車，覆蓋了中心城區(qū)的五條主要線路。這些公交車可以利用乘客上下車的間隙，1分鐘的時(shí)間就能充滿電，并且續(xù)航里程達(dá)到10-15千米。
同樣，它也被應(yīng)用于分布式發(fā)電和配電網(wǎng)系統(tǒng)、軍事設(shè)備、有軌電車等領(lǐng)域。
可以預(yù)見(jiàn)，當(dāng)我們攻克超級(jí)電容器存電量不足、工作電壓較低等挑戰(zhàn)后，“混凝土電池”才會(huì)落地有望。很多人的“家”，也能變成小型發(fā)電站了。
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