性能提升10倍 高效“混凝土电池”可为城市供电

参考消息网报道 据美国趣味科学网站10月7日报道，美国麻省理工学院研究人员将一种新型“混凝土电池”的性能提升了10倍，为将建筑物、桥梁和人行道变成大型储能装置、给整个城市供电铺平了道路。

这种材料被称为“导电碳混凝土”，是通过将水泥、水、一种常见的液态电解质以及一种极细的碳粉(纳米级碳黑)混合而成。

当这些成分混合在一起时，会形成一个致密的导电网络，能够传导电荷。一旦这种材料凝固成混凝土，它以及用它建造的任何结构(无论是建筑物、桥梁还是人行道)都能够根据需要储存和释放电能。

这是一种被称为“超级电容储能”的概念，研究人员希望它能为可再生能源面临的最大挑战之一提供一个可行的解决方案：在阳光不足或风力不够时，如何在本地储存电能。

在9月29日发表于美国《国家科学院学报》周刊的一项新研究中，研究人员表示，自2023年以来，他们将导电碳混凝土的储能能力提高了10倍。如今，5立方米的这种材料可以储存超过10千瓦时的电量——大致足够一个普通家庭使用一天。

研究团队表示，就在两年前，实现同等储能水平还需要9倍于相同体积的材料。

该研究论文的主要作者、麻省理工学院研究科学家达米安·斯特凡纽克在一份声明中说：“凭借更高的能量密度和更广泛的应用价值，我们现在拥有了一个强大而灵活的工具，可以帮助我们应对一系列长期存在的能源挑战。”

他说：“我们最大的动机之一是推动可再生能源的转型。例如，太阳能在效率方面已取得很大进展。然而，它只能在阳光充足时发电。因此，问题就变成了你如何在夜晚或阴天满足能源需求？”

尽管导电碳混凝土的能量密度还无法与锂电池等传统电池技术相媲美(后者在相同重量或体积下能储存相当于前者数百倍的能量)，但它可以直接浇筑成建筑构件，并且可能拥有与建筑物本身一样长的使用寿命，同时不依赖稀有或有毒材料，这些特点使得它对科学家而言尤其具有吸引力。

此次性能提升的关键在于研究人员对混凝土内部碳网络与电解质之间相互作用的深入理解，以及对材料制造方式的改进。

研究人员不再等材料硬化后将其浸泡在电解质中，而是将电解质直接添加到最初混合成分所用的水中。通过这种方式可以制造出更厚、能量密度更高的混凝土板块，同时不牺牲导电性。

研究团队还测试了不同类型的电解质，包括海水，并发现了几种可行的选择。最佳结果来自一种由季铵盐(常用于家用消毒剂)和乙腈(一种在工业中常见的导电溶剂)混合而成的电解质。

最令科学家们兴奋的是，他们意识到只需对混凝土的制作方式做出微小改动，就能生产出导电碳混凝土。这为可持续建筑带来了巨大的机遇。这种材料可以用来开发研究人员所称的“多功能混凝土”，它不仅能储存电能，还能吸收空气中的二氧化碳，甚至具备自我修复的能力。

这种材料已在日本进行过测试，用于在下雪天加热人行道，有望替代传统的撒盐除冰方式。研究团队目前正在推进其在现实世界的应用，例如为远离电网的住宅供电，以及建造未来可能为电动汽车充电的停车位和道路等。

该研究论文的共同作者、美国康奈尔大学材料科学与工程学副教授詹姆斯·韦弗在声明中说：“最让我们兴奋的是，我们竟然让混凝土这种古老材料展现出全新的功能。”

他说：“通过将现代纳米科学与古老的建筑材料相结合，我们正在打开一扇新大门，让基础设施不仅支撑我们的生活，更能为我们的生活提供动力。”（编译/郭骏）