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储能大突破！全新超级电容器仅由水泥、水和炭黑制成……

来源：金融界    时间：2023-08-02 11:26:54

根据麻省理工学院（MIT）的一项新研究，人类历史上最为常见的两种材料，水泥和炭黑（类似于非常精细的木炭），可能成为一种新型低成本储能系统的基础原料。


(资料图)

MIT研究人员发现，这两种材料可以与水结合，制成超级电容器（电池的替代品），从而可以储存电能。据称，这项技术可以使能源网络在可再生能源供应波动的情况下保持稳定，从而促进太阳能、风能和潮汐能等可再生能源的使用。

例如，研究人员说，他们的超级电容器最终可以被整合到房屋的混凝土基础中，在那里它可以储存一整天的能量，而基础的成本很少（或根本没有），并且仍然提供房屋所需的结构强度。研究人员还设想建设一条混凝土道路，可以为行驶在这条道路上的电动汽车提供非接触式充电。最新研究成果已于近期发表在了《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。

电容器原则上是非常简单的装置，由浸没在电解液中的两个导电板组成，并由膜隔开。当对电容器施加电压时，来自电解质的带正电的离子积聚在带负电的极板上，而带正电的极板则积聚带负电的离子。

由于板之间的膜阻止了带电离子的迁移，这种电荷的分离在板之间产生了电场，电容器就带电了。这两个板可以维持这对电荷很长一段时间，然后在需要时非常迅速地提供它们。超级电容器就是能够储存超大容量电荷的电容器。

电容器能储存的电量取决于其导电板的总表面积。该团队开发的新型超级电容器的关键在于一种生产水泥基材料的方法，这种材料具有极高的内表面积，这是由于其体积内密集、相互连接的导电材料网络。

具体而言，研究人员将具有高导电性的炭黑与水泥粉和水一起放入混凝土混合物中，并让其固化，从而实现了这一目标。当水与水泥发生反应时，水在结构中自然形成一个分支网络，碳迁移到这些空间中，在硬化的水泥中形成线状结构。

这些结构具有类似分叉的结构，较大的分支会生出较小的分支，而这些分支会生出更小的分支，以此类推，最终在相对较小的体积范围内形成一个非常大的表面积。

然后将这种材料浸泡在标准的电解质材料中，比如氯化钾（一种盐），它提供了积聚在碳结构上的带电粒子。研究人员发现，由这种材料制成的两个电极，由一个薄空间或绝缘层隔开，形成一个非常强大的超级电容器。

研究人员指出，水泥和炭黑是两种至少有两千年历史的材料，“当你以一种特定的方式组合它们时，你就会得到一种导电的纳米复合材料，这就是事情变得真正有趣的时候”。而且，所需的碳量非常小，只占混合物体积的3%，就能形成一个渗透的碳网络。

研究人员说，由这种材料制成的超级电容器在帮助世界向可再生能源过渡方面具有巨大的潜力。无排放能源的主要来源，如风能、太阳能和潮汐能，都是在可变的时间产生它们的输出，而这些时间往往与电力使用的高峰不一致，因此储存电力的方法是必不可少的。

“对大型储能系统的需求非常大，而现有的电池过于昂贵，而且主要依赖于锂等材料，而锂的供应有限，因此迫切需要更便宜的替代品。这就是我们的技术非常有前途的地方，因为水泥无处不在。”他们说。

研究小组计算出，一块45立方米大小的纳米碳黑掺杂混凝土（相当于一个直径约3.5米的立方体），将有足够的容量存储大约10千瓦时的能量，这被认为是一个家庭的平均每日用电量。由于混凝土可以保持其强度，用这种材料做地基的房子可以储存太阳能电池板或风车产生的一天的能量，并在需要的时候使用。而且，超级电容器的充放电速度比电池快得多。

研究人员还说，这项技术的最初用途可能是在远离电网的孤立的家庭、建筑物或避难所，这些地方可能由连接在水泥超级电容器上的太阳能电池板供电。

他们说，该系统是非常可扩展的，因为能量存储容量是电极体积的直接函数。“你可以把1毫米厚的电极变成1米厚的电极，通过这样做，基本上你可以扩展能量存储容量，从点亮一个LED几秒钟，到为整个房子供电”。

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