根據(jù)一項(xiàng)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(xì)的木炭)，可能成為一種新型低成本儲(chǔ)能系統(tǒng)的基礎(chǔ)材料。這項(xiàng)技術(shù)可以使能源網(wǎng)絡(luò)在可再生能源供應(yīng)波動(dòng)的情況下保持穩(wěn)定，從而促進(jìn)太陽(yáng)能、風(fēng)能和潮汐能等可再生能源的使用。
研究人員發(fā)現(xiàn)，這兩種材料可以與水結(jié)合，制成超級(jí)電容器——電池的替代品——可以儲(chǔ)存電能。
例如，開發(fā)該系統(tǒng)的麻省理工學(xué)院的研究人員說，他們的超級(jí)電容器最終可以被整合到房屋的混凝土基礎(chǔ)中，在那里它可以儲(chǔ)存一整天的能量，而基礎(chǔ)的成本很少(或根本沒有)，并且仍然可以提供所需的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。研究人員還設(shè)想了一條混凝土道路，可以為行駛在這條道路上的電動(dòng)汽車提供非接觸式充電。
麻省理工學(xué)院教授Franz-Josef Ulm、Admir Masic和Yang-Shao Horn以及麻省理工學(xué)院和Wyss研究所的其他四人在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》(PNAS)上發(fā)表了一篇論文，描述了這項(xiàng)簡(jiǎn)單但創(chuàng)新的技術(shù)。
電容器原則上是非常簡(jiǎn)單的裝置，由浸沒在電解液中的兩個(gè)導(dǎo)電板組成，并由膜隔開。當(dāng)對(duì)電容器施加電壓時(shí)，來自電解質(zhì)的帶正電的離子積聚在帶負(fù)電的極板上，而帶正電的極板則積聚帶負(fù)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(chǎn)生了電場(chǎng)，電容器就帶電了。這兩個(gè)板可以維持這對(duì)電荷很長(zhǎng)一段時(shí)間，然后在需要時(shí)非常迅速地提供它們。超級(jí)電容器就是能夠儲(chǔ)存超大容量電荷的電容器。
電容器能儲(chǔ)存的電量取決于其導(dǎo)電板的總表面積。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的新型超級(jí)電容器的關(guān)鍵在于一種生產(chǎn)水泥基材料的方法，這種材料具有極高的內(nèi)表面積，這是由于其體積內(nèi)密集、相互連接的導(dǎo)電材料網(wǎng)絡(luò)。
研究人員將炭黑——一種高導(dǎo)電性的物質(zhì)——與水泥粉和水一起放入混凝土混合物中，并讓其固化。當(dāng)水與水泥發(fā)生反應(yīng)時(shí)，水在結(jié)構(gòu)中自然形成一個(gè)分支網(wǎng)絡(luò)，碳遷移到這些空間中，在硬化的水泥中形成線狀結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)具有類似分形的結(jié)構(gòu)，較大的分支會(huì)生出較小的分支，而這些分支會(huì)生出更小的分支，以此類推，最終在相對(duì)較小的體積范圍內(nèi)形成一個(gè)非常大的表面積。
然后將這種材料浸泡在標(biāo)準(zhǔn)的電解質(zhì)材料中，比如氯化鉀(一種鹽)，它提供了積聚在碳結(jié)構(gòu)上的帶電粒子。研究人員發(fā)現(xiàn)，由這種材料制成的兩個(gè)電極，由一個(gè)薄空間或絕緣層隔開，形成一個(gè)非常強(qiáng)大的超級(jí)電容器。
電容器的兩個(gè)極板的作用就像電壓相等的可充電電池的兩極一樣。當(dāng)連接到電源(如電池)時(shí)，能量存儲(chǔ)在板中，然后當(dāng)連接到負(fù)載時(shí)，電流流出來提供電力。
“這種材料令人著迷，”Masic說，“因?yàn)樗嗍鞘澜缟鲜褂米顝V泛的人造材料，它與炭黑結(jié)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(dāng)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(shí)，你就會(huì)得到一種導(dǎo)電的納米復(fù)合材料，這就是事情變得真正有趣的時(shí)候。”
他說，隨著混合物凝固和固化，“水通過水泥水化反應(yīng)被系統(tǒng)地消耗掉，這種水化反應(yīng)從根本上影響了碳納米顆粒，因?yàn)樗鼈兪鞘杷摹?rdquo;他說，隨著混合物的發(fā)展，“炭黑會(huì)自我組裝成一條相連的導(dǎo)電線。”
這個(gè)過程很容易復(fù)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(gè)滲透的碳網(wǎng)絡(luò)，Masic說。
Ulm說，由這種材料制成的超級(jí)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(fēng)能、太陽(yáng)能和潮汐能，都是在可變的時(shí)間產(chǎn)生它們的輸出，而這些時(shí)間往往與電力使用的高峰不一致，因此儲(chǔ)存電力的方法是必不可少的。
他說，對(duì)大型儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求非常大，而現(xiàn)有的電池過于昂貴，而且主要依賴鋰等材料，而鋰的供應(yīng)有限，因此迫切需要更便宜的替代品。Ulm說：“我們的技術(shù)在這方面非常有前途，因?yàn)樗酂o處不在。”
研究小組計(jì)算出，一塊45立方米大小的納米碳黑摻雜混凝土——相當(dāng)于一個(gè)直徑約3.5米的立方體——將有足夠的容量存儲(chǔ)大約10KWh的能量，這被認(rèn)為是一個(gè)家庭每天的平均用電量。
由于混凝土可以保持其強(qiáng)度，用這種材料做地基的房子可以儲(chǔ)存太陽(yáng)能電池板或風(fēng)車產(chǎn)生的一天的能量，并在需要的時(shí)候使用。而且，這種超級(jí)電容器的充放電速度比電池快得多。
在進(jìn)行了一系列測(cè)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(jí)電容器來演示這一過程。超級(jí)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(gè)超級(jí)電容器都可以充電到1伏，相當(dāng)于1伏電池。然后，他們將其中的三個(gè)連接起來，以展示它們點(diǎn)亮3伏發(fā)光二極管(LED)的能力。
在證明了這一原理之后，他們現(xiàn)在計(jì)劃制造一系列更大的版本，從一個(gè)典型的12伏汽車電池大小開始，然后逐步發(fā)展到一個(gè)45立方米的版本，以展示其儲(chǔ)存一所房子電力的能力。
他們發(fā)現(xiàn)，在材料的存儲(chǔ)容量和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之間存在一種權(quán)衡。通過添加更多的炭黑，得到的超級(jí)電容器可以儲(chǔ)存更多的能量，但混凝土強(qiáng)度會(huì)稍微變?nèi)?，這對(duì)于混凝土不發(fā)揮結(jié)構(gòu)作用或不需要混凝土的全部強(qiáng)度潛力的應(yīng)用可能是有用的。
他們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于基礎(chǔ)或風(fēng)力渦輪機(jī)基座的結(jié)構(gòu)元件等應(yīng)用，“最佳點(diǎn)”是混合物中約含10%的炭黑。
碳水泥超級(jí)電容器的另一個(gè)潛在應(yīng)用是建造混凝土道路，這些道路可以儲(chǔ)存路邊太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的能量，然后將這些能量輸送給沿著道路行駛的電動(dòng)汽車，使用與無線充電手機(jī)相同的技術(shù)。德國(guó)和荷蘭的公司已經(jīng)在開發(fā)一種相關(guān)的汽車充電系統(tǒng)，但使用的是標(biāo)準(zhǔn)電池。
研究人員說，這項(xiàng)技術(shù)的最初用途可能是在遠(yuǎn)離電網(wǎng)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(jí)電容器上的太陽(yáng)能電池板供電。
Ulm說，該系統(tǒng)是易于擴(kuò)展的，因?yàn)槟芰看鎯?chǔ)容量是電極體積的直接函數(shù)。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(chǔ)容量從點(diǎn)亮一個(gè)LED幾秒鐘擴(kuò)展到為整個(gè)房子供電。”
根據(jù)給定應(yīng)用程序所需的屬性，可以通過調(diào)整混合物來調(diào)整系統(tǒng)。Ulm說，對(duì)于一條汽車充電道路來說，需要非?？斓某浞烹娝俣龋鴮?duì)于一個(gè)家庭來說，“你有一整天的時(shí)間來充電”，所以可以使用充電速度較慢的材料。
他補(bǔ)充說：“因此，它確實(shí)是一種多功能材料。”除了能夠以超級(jí)電容器的形式儲(chǔ)存能量外，這種混凝土混合物還可以用作加熱系統(tǒng)，只需對(duì)含碳混凝土通電即可。
Ulm認(rèn)為這是“一種拓展混凝土未來的新方式，是能源轉(zhuǎn)型的一部分。”
研究團(tuán)隊(duì)還包括麻省理工學(xué)院土木與環(huán)境工程系的博士后Nicolas Chanut和Damian Stefaniuk， Wyss生物啟發(fā)工程研究所的James Weaver和麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系的Yunguang Zhu。這項(xiàng)工作得到了麻省理工學(xué)院混凝土可持續(xù)發(fā)展中心的支持，并得到了混凝土進(jìn)步基金會(huì)的贊助。
原標(biāo)題：水泥和炭黑！工程師們用古老的材料制造出了超級(jí)儲(chǔ)能容器
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