用水泥和炭黑打造未來(lái)的儲(chǔ)能系統(tǒng)

麻省理工學(xué)院的工程師利用人類最普遍的兩種歷史材料，水泥和炭黑（類似于非常細(xì)的木炭），開(kāi)發(fā)了一種新型、低成本的儲(chǔ)能系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以作為超級(jí)電容器，提供電能的存儲(chǔ)和釋放，從而促進(jìn)太陽(yáng)能、風(fēng)能和潮汐能等可再生能源的使用，使能源網(wǎng)絡(luò)在可再生能源供應(yīng)波動(dòng)的情況下保持穩(wěn)定。這項(xiàng)簡(jiǎn)單而創(chuàng)新的技術(shù)本周在PNAS雜志上發(fā)表。

電容器是一種非常簡(jiǎn)單的器件，由浸入電解質(zhì)中并由膜隔開(kāi)的兩塊導(dǎo)電板組成。當(dāng)在電容器上施加電壓時(shí)，電解液中的帶正電的離子會(huì)積聚在帶負(fù)電的板上，而帶正電的板上會(huì)積聚帶負(fù)電的離子。由于極板之間的膜阻止帶電離子遷移，這種電荷分離在極板之間產(chǎn)生電場(chǎng)，電容器帶電。兩塊板可以長(zhǎng)時(shí)間保持這對(duì)電荷，然后在需要時(shí)非?？焖俚剌斔退鼈儭３?jí)電容器只是可以存儲(chǔ)異常大電荷的電容器。

電容器可以存儲(chǔ)的功率取決于其導(dǎo)電板的總表面積。因此，要提高電容器的性能，就需要增加導(dǎo)電板的表面積或減小極板之間的距離。然而，這兩種方法都有其局限性，因?yàn)閷?dǎo)電板的大小和形狀受到物理限制，而極板之間的距離過(guò)小會(huì)導(dǎo)致電弧或短路。

為了克服這些限制，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)采用了一種新穎的方法，利用水泥和炭黑這兩種廉價(jià)且廣泛可用的材料，制造出具有極高內(nèi)表面積的水泥基材料，該材料是由于在其體積內(nèi)具有密集、互連的導(dǎo)電材料網(wǎng)絡(luò)。研究人員通過(guò)將高導(dǎo)電性炭黑與水泥粉和水一起引入混凝土混合物中，并使其固化來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。當(dāng)水與水泥發(fā)生反應(yīng)時(shí)，水自然會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)形成一個(gè)分支的開(kāi)口網(wǎng)絡(luò)，碳遷移到這些空間中，在硬化的水泥內(nèi)形成金屬絲狀結(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(huì)長(zhǎng)出較小的樹(shù)枝，而那些長(zhǎng)出更小的樹(shù)枝會(huì)長(zhǎng)出更小的樹(shù)枝，依此類推，最終在相對(duì)較小的體積范圍內(nèi)具有非常大的表面積。然后將材料浸泡在標(biāo)準(zhǔn)電解質(zhì)材料中，例如氯化鉀，一種鹽，它提供積聚在碳結(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(gè)電極，由薄空間或絕緣層隔開(kāi)，形成一個(gè)非常強(qiáng)大的超級(jí)電容器。

電容器的兩塊極板的功能就像等效電壓的可充電電池的兩極一樣：當(dāng)連接到電源時(shí)，就像電池一樣，能量存儲(chǔ)在極板中，然后當(dāng)連接到負(fù)載時(shí)，電流流回以提供電力。

“這種材料很吸引人，”麻省理工學(xué)院土木與環(huán)境工程系的Admir Masic教授說(shuō)，“因?yàn)槟銚碛惺澜缟鲜褂米疃嗟娜嗽觳牧?，水泥，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(xiě)成的。你擁有這些至少有兩千年歷史的材料，當(dāng)你以特定的方式將它們組合在一起時(shí)，你就會(huì)想出一種導(dǎo)電納米復(fù)合材料，這就是事情變得非常有趣的時(shí)候?！?/p>

他說(shuō)，隨著混合物的凝固和固化，“水通過(guò)水泥水化反應(yīng)被系統(tǒng)地消耗掉，這種水化從根本上影響了碳的納米顆粒，因?yàn)樗鼈兪鞘杷模ㄅ懦馑?。隨著混合物的演變，“炭黑會(huì)自組裝成一根相連的導(dǎo)線，”他說(shuō)。該過(guò)程易于復(fù)制，材料價(jià)格低廉，在世界任何地方都很容易獲得。Masic說(shuō)，實(shí)現(xiàn)滲流碳網(wǎng)絡(luò)所需的碳量非常小 - 僅占混合物體積的3%。

麻省理工學(xué)院土木與環(huán)境工程系的Franz-Josef Ulm教授說(shuō)，由這種材料制成的超級(jí)電容器具有巨大的潛力，可以幫助世界向可再生能源過(guò)渡。無(wú)排放能源、風(fēng)能、太陽(yáng)能和潮汐能的主要來(lái)源都在可變時(shí)間產(chǎn)生輸出，而這些時(shí)間通常與用電高峰不對(duì)應(yīng)，因此儲(chǔ)存電力的方法至關(guān)重要?！皩?duì)大型儲(chǔ)能有巨大的需求，”他說(shuō)，現(xiàn)有的電池太貴了，而且主要依賴鋰等材料，鋰的供應(yīng)有限，因此迫切需要更便宜的替代品?！斑@就是我們的技術(shù)非常有前途的地方，因?yàn)樗酂o(wú)處不在，”烏爾姆說(shuō)。

該團(tuán)隊(duì)計(jì)算出，一塊尺寸為45立方米（或碼）的納米碳黑摻雜混凝土 - 相當(dāng)于一個(gè)約3.5米寬的立方體 - 將有足夠的容量來(lái)存儲(chǔ)約10千瓦時(shí)的能量，這被認(rèn)為是一個(gè)家庭的平均每日用電量。由于混凝土將保持其強(qiáng)度，因此由這種材料制成的地基的房屋可以存儲(chǔ)太陽(yáng)能電池板或風(fēng)車產(chǎn)生的一天的能量，并在需要時(shí)使用。而且，超級(jí)電容器的充電和放電速度比電池快得多。

在進(jìn)行了一系列用于確定水泥、炭黑和水最有效比例的測(cè)試后，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)制造小型超級(jí)電容器來(lái)演示這一過(guò)程，這些超級(jí)電容器的大小與一些紐扣電池差不多，直徑約1厘米，厚度約1毫米，每個(gè)超級(jí)電容器可以充電到1伏特，相相當(dāng)于1伏特電池。然后，他們連接了其中三個(gè)，以展示它們點(diǎn)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(jì)劃建造一系列更大的版本，從大約一個(gè)典型的12伏汽車電池大小的版本開(kāi)始，然后增加到45立方米的版本，以證明其存儲(chǔ)房屋價(jià)值的能力。

他們發(fā)現(xiàn)，材料的存儲(chǔ)容量與其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之間存在權(quán)衡。通過(guò)添加更多的炭黑，產(chǎn)生的超級(jí)電容器可以儲(chǔ)存更多的能量，但混凝土略弱，這對(duì)于混凝土不起結(jié)構(gòu)作用或不需要混凝土的全部強(qiáng)度潛力的應(yīng)用可能很有用。他們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于地基或風(fēng)力渦輪機(jī)底座的結(jié)構(gòu)元件等應(yīng)用，“最佳點(diǎn)”是混合物中約10%的炭黑。

碳水泥超級(jí)電容器的另一個(gè)潛在應(yīng)用是用于建造混凝土道路，該道路可以儲(chǔ)存太陽(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)將能量輸送到沿道路行駛的電動(dòng)汽車。德國(guó)和荷蘭的公司已經(jīng)在開(kāi)發(fā)一種相關(guān)類型的汽車充電系統(tǒng)，但使用標(biāo)準(zhǔn)電池進(jìn)行存儲(chǔ)。

研究人員說(shuō)，該技術(shù)的最初用途可能是用于遠(yuǎn)離電網(wǎng)的孤立房屋或建筑物或避難所，這些房屋或避難所可以由連接到水泥超級(jí)電容器的太陽(yáng)能電池板供電。

烏爾姆說(shuō)，該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，因?yàn)閮?chǔ)能容量是電極體積的直接函數(shù)。“你可以從1毫米厚的電極變成1米厚的電極，通過(guò)這樣做，基本上你可以將儲(chǔ)能容量從點(diǎn)亮LED幾秒鐘，擴(kuò)展到為整個(gè)房子供電，”他說(shuō)。根據(jù)給定應(yīng)用所需的特性，可以通過(guò)調(diào)整混合物來(lái)調(diào)整系統(tǒng)。烏爾姆說(shuō)，對(duì)于車輛充電道路，需要非常快的充電和放電速率，而對(duì)于家庭供電，“你有一整天的時(shí)間來(lái)充電”，因此可以使用較慢的充電材料?！八?，它確實(shí)是一種多功能材料，”他補(bǔ)充道。除了能夠以超級(jí)電容器的形式儲(chǔ)存能量外，通過(guò)簡(jiǎn)單地將電力施加到碳纖維混凝土上，相同種類的混凝土混合物還可以用作加熱系統(tǒng)。烏爾姆認(rèn)為這是“作為能源轉(zhuǎn)型的一部分，展望混凝土未來(lái)的一種新方式”。

該研究團(tuán)隊(duì)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研究所的James Weaver以及麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系的Yunguang Zhu。這項(xiàng)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(huì)的贊助。