想象一下，你家的墻壁不僅能遮風(fēng)擋雨，還能默默儲存太陽能，在夜晚為冰箱等家電供電；更重要的是，哪怕是戰(zhàn)爭發(fā)生，也不會出現(xiàn)電廠被炸導(dǎo)致全城電力癱瘓的問題。這么一個混凝土的華麗變身已經(jīng)有雛形了。

01

從建材到“儲能體”

最近，一支來自麻省理工學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一款“超級電池”，最重要的是，他們只用水、水泥以及一種高導(dǎo)電材料，就讓混凝土也就是水泥，這種最基礎(chǔ)的建筑材料，在承重之外額外獲得了儲存電能的全新功能。

這個水泥基“電池”，學(xué)名被稱為“電子導(dǎo)電碳混凝土（ec3）”，其關(guān)鍵就在于微觀結(jié)構(gòu)的精妙設(shè)計(jì)。不過要事先聲明，把它稱為電池并不準(zhǔn)確，它其實(shí)是“電容器”。

所謂電容器更像是物理概念上的倉庫，它能在兩個電導(dǎo)板之間積聚電荷，通過電場來儲存電能。

當(dāng)電壓施加在電容器上時(shí)，正電荷和負(fù)電荷分別在兩個電導(dǎo)板上積聚，形成電場，從而使電容器充電，這就像海綿吸水一樣直接吸附電荷，隨存隨取。簡單來說，電容器是功率型元件，負(fù)責(zé)瞬間的爆發(fā)力。

電池尤其是常見的鋰離子電池，其實(shí)更多的是電化學(xué)反應(yīng)，需要通過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)來儲存和釋放能量，因此充放電都需要時(shí)間。

這也決定了它是一位持久而穩(wěn)定的伙伴：因?yàn)榉烹婋妷悍浅Ｆ椒€(wěn) ，所以在電量耗盡前，都能提供一個相對穩(wěn)定的電壓。這確保了你的手機(jī)、電車不會因?yàn)殡娏拷档?0%就突然關(guān)機(jī)，也讓智能手機(jī)、筆記本電腦和電動汽車的長久續(xù)航成為可能。

反過來，這些其實(shí)都對應(yīng)著電容器的缺點(diǎn)。電容器儲能和放電的過程不涉及化學(xué)反應(yīng)，因此循環(huán)壽命很長，但因?yàn)殡娙萜鞯哪芰棵芏容^低，放電速度過快等，限制了電容器的應(yīng)用場景。

現(xiàn)在我們再來講講混凝土是怎么變成一個電容器的。

02

性能飛躍

電壓與納米結(jié)構(gòu)的秘密

這款“水泥電容器”核心配方很簡單，就是在水泥里加入了納米炭黑（NCB)這一低成本且導(dǎo)電的納米填料，這些導(dǎo)電的炭粒會自己在水泥中組成一張像高速路網(wǎng)一樣導(dǎo)電的網(wǎng)絡(luò)，整個混凝土塊也就自然變成了體積巨大的“超級電容器”。

說起來簡單，但從原理到足以使用并沒有那么容易。其實(shí)該研究團(tuán)隊(duì)兩年前就提出過這一概念，不過當(dāng)時(shí)用一個地下室那么大、足足45立方米的改造水泥，存下來的電也只夠一戶吹一天的空調(diào)而已；今年他們將導(dǎo)電碳混凝土的儲能能力提高了10倍，如今，一面墻也就是5立方米的ec3，就可以儲存超過10千瓦時(shí)（10度）的電量，勉強(qiáng)夠一個普通家庭使用一天。

研究團(tuán)隊(duì)的一切努力其實(shí)都基于一個最基本的公式：E=1/2C乘以V2，這是電容器儲存能量的公式，其中E代表儲存的能量，C代表電容器的電容，而V代表電容器兩端的電壓。研究團(tuán)隊(duì)將寶押在了電壓上。

水泥的蛻變之路

他們的第一個突破，就是把水泥中摻入的電解液，從只能承受1伏特左右的水性溶液，換成了能承受接近3伏特的有機(jī)電解液。根據(jù)上面的公式，能量與電壓的平方成正比，所以這么一更換能量密度直接飆升了十倍，一立方的ec3能直接儲存兩度電，能讓一臺冰箱運(yùn)行一整天。

這么高的電壓水泥能不能撐住呢？這就要說到他們的第二個突破了。

團(tuán)隊(duì)通過聚焦離子束掃描電子顯微鏡（FIB-SEM），首次重建了水泥ec3的內(nèi)部導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的3D地圖，在納米尺度上實(shí)現(xiàn)了可視化。他們發(fā)現(xiàn)，納米炭黑在水泥中的分布特別像蜘蛛網(wǎng)，緊密包覆在空隙之間。

前面提到過，當(dāng)水泥有水化反應(yīng)，也就是跟水混合時(shí)，納米炭黑顆粒會自發(fā)形成細(xì)密的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，如同混凝土內(nèi)部的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，這一個突破就是讓研究人員能更好地理解材料在納米尺度上的“自組裝”機(jī)制——這可是電解液能滲入、電流能流動的關(guān)鍵所在，從而也提升了該材料的理論儲能容量。

03

能儲電，還會“喊疼”的智能建筑

通過優(yōu)化電解質(zhì)配方和工藝，研究團(tuán)隊(duì)將能量密度帶到了新的高度，這種高能量密度的碳水泥正在從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用。

此前該技術(shù)剛剛誕生沒多久，就已經(jīng)在日本札幌得到應(yīng)用，其導(dǎo)電發(fā)熱特性被用于融化人行道積雪。

最近，為了驗(yàn)證其工程可行性，團(tuán)隊(duì)建造了一座小型EC3拱門原型。它不僅成功承載自身重量，還能為LED燈持續(xù)供電。更巧妙的是，當(dāng)拱門受壓時(shí)，LED燈光會出現(xiàn)閃爍，這一現(xiàn)象揭示了結(jié)構(gòu)應(yīng)力與電信號輸出之間的實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)，即壓力也會改變導(dǎo)電路徑。

這也為未來建筑健康的自監(jiān)測提供了全新思路——墻體或橋梁或許能通過自身電流的變化，直接“報(bào)告”自己的結(jié)構(gòu)健康狀況，比如自己哪里裂了、哪里遭受重壓。

未來建筑會因水泥的身份變化而更智能化

要想走出實(shí)驗(yàn)室的一個大問題就是怎么量產(chǎn)。最開始實(shí)驗(yàn)室是將這些水泥塊泡到電解液里慢慢滲透，這樣當(dāng)然不能適應(yīng)工業(yè)使用?，F(xiàn)在他們改變思路提出“鑄入電解質(zhì)”的方法，這個制程是直接把電解液攪拌到水泥中，無需等待水泥固化后操作，省工還能制造出更穩(wěn)定的水泥電極。

未來，水泥這一平平無奇的建筑材料，將會升級為主動型能源基礎(chǔ)設(shè)施，我們可以利用房屋的墻體、地基儲存太陽能，或讓道路為電動汽車進(jìn)行無線充電，這豈不是生活在一個分布式巨型“電池”里？

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編輯｜張毅

主編｜黎坤

總編輯｜吳新

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壹零社：用圖文、視頻記錄科技互聯(lián)網(wǎng)新鮮事、電商生活、云計(jì)算、ICT領(lǐng)域、消費(fèi)電子，商業(yè)故事。《中國知網(wǎng)》每周全文收錄；中國科技報(bào)刊100強(qiáng)；2021年微博百萬粉絲俱樂部成員；2022年抖音優(yōu)質(zhì)科技內(nèi)容創(chuàng)作者