“水泥電池”？混凝土變身超級電容器

據(jù)西班牙《機密報》網(wǎng)站日前報道，幾十年來，人類一直在地球上尋找稀土來制造電池，為我們的可再生電力和電動汽車之夢提供動力。近年來，鑭系元素、釔和鈧等金屬一直是地緣政治活動的真正主角。但最近，一項令人著迷的新發(fā)現(xiàn)可能徹底改變世界能源格局。這一新發(fā)現(xiàn)是一種超級電容器，換句話說，就是一種電池。它由水泥、炭黑和水制成，這三種原料很常見。

最新一期的美國《國家科學院學報》周刊詳細介紹了這一前景廣闊的裝置是如何工作的。參與這項研究的研究人員阿德米爾·馬希奇表示：“當你把這些材料以特定方式結(jié)合在一起時，你就得到了一種導電納米復合材料：這就是事情變得真正有趣的時候?！?/p>

電容器是非常簡單的裝置。它們由浸入電解質(zhì)中的兩塊導電板組成，中間由薄膜隔開。在電容器上施加電壓時，電解質(zhì)中帶正電的離子積聚在帶負電的板上，帶負電的離子則積聚在帶正電的板上。由于帶電離子無法穿越薄膜，被分開的帶電離子會形成電場，導致電容器充電。兩塊板可以長時間積聚電荷，然后在需要時快速釋放。電容器可以存儲的電量取決于導電板的表面積。

美國麻省理工學院開發(fā)的上述新型超級電容器的關(guān)鍵不僅在于使用的材料，還在于技術(shù)：研究人員將高導電性炭黑混入混凝土混合物(水泥粉末加水)中，然后靜置。當水與水泥發(fā)生作用時，水在相應結(jié)構(gòu)中自然而然地形成了一個樹枝狀網(wǎng)絡(luò)，碳則遷移到這些空間中，在硬化的水泥中形成線狀結(jié)構(gòu)。這些線狀結(jié)構(gòu)具有類似分形的結(jié)構(gòu)：較大的分支會生出較小的分支，較小的分支則會生出更小的分支，以此類推，最終在體積相對較小的有限空間內(nèi)形成非常大的表面積。然后，他們將這種材料浸入常規(guī)電解質(zhì)(例如氯化鉀)中，其結(jié)果是，由這種材料制成的兩塊電極在被絕緣層隔開后，形成了一種超級電容器。

馬希奇說：“隨著混合物的固化，水泥中的水化反應系統(tǒng)地消耗了水分，而這種水化反應主要影響碳納米顆粒，因為它們具有疏水性。炭黑則會形成一條導電線。”最重要的是，只需使用在地球上任何地方都能獲得的這些廉價材料，就能輕易復制這一過程。

能源儲存問題是可再生能源的致命弱點。太陽能電池板能在陽光普照時發(fā)電，但在人們急需點亮燈泡時卻不能發(fā)電。因此，人們對電池和大型儲能裝置情有獨鐘。麻省理工學院研究人員提出的這一解決方案并非“萬靈藥”，但它可以填補居民家庭用電方面的缺口。2022年，居民家庭用電量約占西班牙全國總用電量的25%。隨著越來越多的電動汽車被納入電網(wǎng)，這一數(shù)字未來無疑還會增長。

水泥因其生產(chǎn)過程會產(chǎn)生二氧化碳，通常被視為應對氣候變化努力的“敵人”，但它有望在應對氣候變化的斗爭中發(fā)揮積極作用，可能有助于減少家庭照明和空調(diào)系統(tǒng)對化石燃料的需求。

麻省理工學院的研究人員表示，他們的超級電容器未來可以安裝在房屋或風力渦輪機的混凝土地基中，以方便儲能。