麻省理工“混凝土電池”問世

開辟建筑儲(chǔ)能新路徑

【Design Boom網(wǎng) 10月8日?qǐng)?bào)道】

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麻省理工研發(fā)混凝土電池

讓建筑變身供電站

麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員研發(fā)出一種“電子導(dǎo)電碳混凝土”（Electron-Conducting Carbon Concrete，簡(jiǎn)稱EC3），這種材料可像電池一樣儲(chǔ)存并釋放電能，并有望應(yīng)用于建筑、人行道及其他基礎(chǔ)設(shè)施。其主要由水泥、水、超細(xì)碳黑與電解質(zhì)四種成分構(gòu)成，其中后兩種為核心材料。

碳黑中的超細(xì)顆粒能在混凝土內(nèi)部形成導(dǎo)電納米網(wǎng)絡(luò)，讓材料具有導(dǎo)電性；電解質(zhì)則可以攜帶電荷。當(dāng)兩種材料與水泥和水混合后，會(huì)形成一種能儲(chǔ)存并釋放電能的混凝土，其功能類似超級(jí)電容器或大型電池。盡管該項(xiàng)目研發(fā)的混凝土電池儲(chǔ)能容量不及常規(guī)電池，但有一項(xiàng)顯著優(yōu)勢(shì)：可作為建筑材料，也就是說，它能用于修建墻體、地面、馬路與橋梁，讓這些建筑能儲(chǔ)存電能并直接供電。麻省理工學(xué)院的混凝土電池展示了一個(gè)未來圖景：該材料可用于修筑道路或停車場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車無線充電；也可用于離網(wǎng)住宅，讓其無需依賴外部供電。

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銨鹽助力提高單日供電量

為研發(fā)這種混凝土電池，該團(tuán)隊(duì)還研究了碳黑與電解質(zhì)在混凝土內(nèi)部的相互作用。他們采用FIB-SEM tomography技術(shù)，即將離子束與掃描電鏡結(jié)合，通過逐層切割并掃描混凝土薄層，構(gòu)建出納米網(wǎng)絡(luò)的3D圖像。圖像顯示，碳黑顆粒會(huì)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，包裹住混凝土內(nèi)部的微小孔隙，這一結(jié)構(gòu)既有助于電解質(zhì)的充分?jǐn)U散，也能讓電流順暢流動(dòng)。

在明確該網(wǎng)絡(luò)的作用機(jī)制后，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)不同類型的電解質(zhì)展開測(cè)試，發(fā)現(xiàn)多種電解質(zhì)均適用，包括有機(jī)電解質(zhì)，甚至海水。在研究過程中，該團(tuán)隊(duì)并未采用先混合混凝土，再將其浸泡在電解質(zhì)中的方式，而是在混合前就將電解質(zhì)直接融入水中。這種方法能讓電解質(zhì)在混凝土混合物中均勻擴(kuò)散，進(jìn)而增加混凝土層的厚度，提升儲(chǔ)能容量。最終，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)最優(yōu)配方是將季銨鹽（常見于消毒劑中）與乙腈混合。采用該配方的混凝土，每立方米可儲(chǔ)存超過2千瓦時(shí)的電能，約等于普通家庭冰箱一天的耗電量。

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混凝土電池助力可再生能源儲(chǔ)存

研究團(tuán)隊(duì)還制造了一座微型EC3拱門，對(duì)其核心技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。該結(jié)構(gòu)不僅能承重，還可利用儲(chǔ)存的電量為小型LED燈供電；當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，LED燈會(huì)閃爍，這也說明，這種材料可以實(shí)現(xiàn)自監(jiān)測(cè)。據(jù)此，在大型建筑結(jié)構(gòu)中，通過其監(jiān)測(cè)電流變化，即可評(píng)估建筑所承受的壓力大小或受損程度。

研究團(tuán)隊(duì)還表示，這種電子導(dǎo)電碳混凝土有助于儲(chǔ)存可再生能源。太陽能電池板只能在太陽充足時(shí)發(fā)電，因此夜間或陰天仍需依賴儲(chǔ)存的能源。而采用混凝土電池建造的建筑，可在白天收集并儲(chǔ)存太陽能，之后在需要時(shí)釋放電能。這項(xiàng)研究由麻省理工學(xué)院EC3中心（MIT EC3 Hub）與麻省理工學(xué)院混凝土可持續(xù)發(fā)展中心（MIT Concrete Sustainability Hub）聯(lián)合開展，由阿德米爾·馬希奇（Admir Masic）教授牽頭，達(dá)米安·斯特凡紐克（Damian Stefaniuk）、弗朗茨-約瑟夫·烏爾姆（Franz-Josef Ulm）及詹姆斯·韋弗（James Weaver）共同參與完成。

編譯：耿 語（新能源部）

審校：高英博（新能源部）

編輯：耿 語（新能源部）