根據一項新的研究，人類最普遍的兩種歷史材料，水泥和炭黑(類似于非常精細的木炭)，可能成為一種新型低成本儲能系統的基礎材料。這項技術可以使能源網絡在可再生能源供應波動的情況下保持穩定，從而促進太陽能、風能和潮汐能等可再生能源的使用。

　　研究人員發現，這兩種材料可以與水結合，制成超級電容器——電池的替代品——可以儲存電能。

　　例如，開發該系統的麻省理工學院的研究人員說，他們的超級電容器最終可以被整合到房屋的混凝土基礎中，在那里它可以儲存一整天的能量，而基礎的成本很少(或根本沒有)，并且仍然可以提供所需的結構強度。研究人員還設想了一條混凝土道路，可以為行駛在這條道路上的電動汽車提供非接觸式充電。

　　麻省理工學院教授Franz-Josef Ulm、Admir Masic和Yang-Shao Horn以及麻省理工學院和Wyss研究所的其他四人在《美國國家科學院院刊》(PNAS)上發表了一篇論文，描述了這項簡單但創新的技術。

　　電容器原則上是非常簡單的裝置，由浸沒在電解液中的兩個導電板組成，并由膜隔開。當對電容器施加電壓時，來自電解質的帶正電的離子積聚在帶負電的極板上，而帶正電的極板則積聚帶負電的離子。

　　由于板之間的膜阻止了帶電離子的遷移，這種電荷的分離在板之間產生了電場，電容器就帶電了。這兩個板可以維持這對電荷很長一段時間，然后在需要時非常迅速地提供它們。超級電容器就是能夠儲存超大容量電荷的電容器。

　　電容器能儲存的電量取決于其導電板的總表面積。該團隊開發的新型超級電容器的關鍵在于一種生產水泥基材料的方法，這種材料具有極高的內表面積，這是由于其體積內密集、相互連接的導電材料網絡。

　　研究人員將炭黑——一種高導電性的物質——與水泥粉和水一起放入混凝土混合物中，并讓其固化。當水與水泥發生反應時，水在結構中自然形成一個分支網絡，碳遷移到這些空間中，在硬化的水泥中形成線狀結構。這些結構具有類似分形的結構，較大的分支會生出較小的分支，而這些分支會生出更小的分支，以此類推，最終在相對較小的體積范圍內形成一個非常大的表面積。

　　然后將這種材料浸泡在標準的電解質材料中，比如氯化鉀(一種鹽)，它提供了積聚在碳結構上的帶電粒子。研究人員發現，由這種材料制成的兩個電極，由一個薄空間或絕緣層隔開，形成一個非常強大的超級電容器。

　　電容器的兩個極板的作用就像電壓相等的可充電電池的兩極一樣。當連接到電源(如電池)時，能量存儲在板中，然后當連接到負載時，電流流出來提供電力。

　　“這種材料令人著迷，”Masic說，“因為水泥是世界上使用最廣泛的人造材料，它與炭黑結合在一起，這是一種眾所周知的歷史材料——死海古卷就是用它寫成的。”當你把這些至少有兩千年歷史的材料以一種特定的方式組合在一起時，你就會得到一種導電的納米復合材料，這就是事情變得真正有趣的時候。”

　　他說，隨著混合物凝固和固化，“水通過水泥水化反應被系統地消耗掉，這種水化反應從根本上影響了碳納米顆粒，因為它們是疏水的。”他說，隨著混合物的發展，“炭黑會自我組裝成一條相連的導電線。”

　　這個過程很容易復制，材料非常便宜，在世界上任何地方都可以輕易獲得。而且所需的碳量非常小——僅占混合物體積的3%——就能形成一個滲透的碳網絡，Masic說。

　　Ulm說，由這種材料制成的超級電容器在幫助世界向可再生能源過渡方面具有巨大的潛力。無排放能源的主要來源，如風能、太陽能和潮汐能，都是在可變的時間產生它們的輸出，而這些時間往往與電力使用的高峰不一致，因此儲存電力的方法是必不可少的。

　　他說，對大型儲能系統的需求非常大，而現有的電池過于昂貴，而且主要依賴鋰等材料，而鋰的供應有限，因此迫切需要更便宜的替代品。Ulm說：“我們的技術在這方面非常有前途，因為水泥無處不在。”

　　研究小組計算出，一塊45立方米大小的納米碳黑摻雜混凝土——相當于一個直徑約3.5米的立方體——將有足夠的容量存儲大約10KWh的能量，這被認為是一個家庭每天的平均用電量。

　　由于混凝土可以保持其強度，用這種材料做地基的房子可以儲存太陽能電池板或風車產生的一天的能量，并在需要的時候使用。而且，這種超級電容器的充放電速度比電池快得多。

　　在進行了一系列測試以確定水泥、炭黑和水的最有效比例之后，研究小組通過制造小型超級電容器來演示這一過程。超級電容器的大小與紐扣電池差不多，直徑約1厘米，厚度約1毫米，每個超級電容器都可以充電到1伏，相當于1伏電池。然后，他們將其中的三個連接起來，以展示它們點亮3伏發光二極管(LED)的能力。

　　在證明了這一原理之后，他們現在計劃制造一系列更大的版本，從一個典型的12伏汽車電池大小開始，然后逐步發展到一個45立方米的版本，以展示其儲存一所房子電力的能力。

　　他們發現，在材料的存儲容量和結構強度之間存在一種權衡。通過添加更多的炭黑，得到的超級電容器可以儲存更多的能量，但混凝土強度會稍微變弱，這對于混凝土不發揮結構作用或不需要混凝土的全部強度潛力的應用可能是有用的。

　　他們發現，對于基礎或風力渦輪機基座的結構元件等應用，“最佳點”是混合物中約含10%的炭黑。

　　碳水泥超級電容器的另一個潛在應用是建造混凝土道路，這些道路可以儲存路邊太陽能電池板產生的能量，然后將這些能量輸送給沿著道路行駛的電動汽車，使用與無線充電手機相同的技術。德國和荷蘭的公司已經在開發一種相關的汽車充電系統，但使用的是標準電池。

　　研究人員說，這項技術的最初用途可能是在遠離電網的孤立的家庭、建筑物或避難所，這些地方可能由連接在水泥超級電容器上的太陽能電池板供電。

　　Ulm說，該系統是易于擴展的，因為能量存儲容量是電極體積的直接函數。他說：“你可以把1毫米厚的電極變成1米厚的電極，通過這樣做，你基本上可以將能量存儲容量從點亮一個LED幾秒鐘擴展到為整個房子供電。”

　　根據給定應用程序所需的屬性，可以通過調整混合物來調整系統。Ulm說，對于一條汽車充電道路來說，需要非?？斓某浞烹娝俣?，而對于一個家庭來說，“你有一整天的時間來充電”，所以可以使用充電速度較慢的材料。

　　他補充說：“因此，它確實是一種多功能材料。”除了能夠以超級電容器的形式儲存能量外，這種混凝土混合物還可以用作加熱系統，只需對含碳混凝土通電即可。

　　Ulm認為這是“一種拓展混凝土未來的新方式，是能源轉型的一部分。”

　　研究團隊還包括麻省理工學院土木與環境工程系的博士后Nicolas Chanut和Damian Stefaniuk， Wyss生物啟發工程研究所的James Weaver和麻省理工學院機械工程系的Yunguang Zhu。這項工作得到了麻省理工學院混凝土可持續發展中心的支持，并得到了混凝土進步基金會的贊助。