水泥和炭黑？ MIT使用古老材料制造出储能超级电容器

  盖世汽车讯 新研究表明，人类最普遍的两种历史材料，水泥和炭黑（类似于非常细的木炭），可能会成为新型低成本储能系统的基础。该技术能在可再次生产的能源供应出现波动的情况下保持能源网络稳定，从而促进太阳能、风能和潮汐能等可再次生产的能源的使用。

  据外媒报道，麻省理工学院（MIT）研究人员发现，这两种材料可以与水结合制成超级电容器（电池的替代品），能够给大家提供电能存储。

  研究人员表示该超级电容器最终可以融入房屋的混凝土地基中，并存储一整天的能量，同时几乎不增加（或不增加）地基成本，同时仍然提供所需的结构强度。 研究人员还设想了一条混凝土道路，可以为电动汽车在道路上行驶时提供非接触式充电。

  电容器原则上是格外的简单的设备，由浸入电解质中并由膜隔开的两个导电板组成。 当在电容器上施加电压时，来自电解质的带正电的离子积聚在带负电的板上，而带正电的板则积聚带负电的离子。

  由于板之间的膜阻止带电离子迁移，因此电荷的分离在板之间产生电场，并且电容器充电。这两块板可以长时间维持这对电荷，然后在需要时非常快速地输送。超级电容器只是可以存储异常大电荷的电容器。

  电容器可以存储的电量取决于其导电板的总表面积。该团队开发的新型超级电容器的重点是一种生产水泥基材料的方法。该水泥基材料由于其具有致密、互连的导电材料网络而具有极高的内表面积。

  通过将高导电性炭黑与水泥粉和水一起引入混凝土混合物中并使其固化，研究人员可实现新型超级电容器。当水与水泥发生反应时，水自然在结构内形成开口的分支网络，而碳迁移到这些空间中，在硬化水泥内形成线状结构。这些结构具有类似分形的结构，较大的分支会发芽较小的分支，而那些发芽的分支甚至更小，依此类推，最终在比较小的体积范围内产生极大的表面积。

  然后将材料浸泡在标准电解质材料中，例如氯化钾，以提供积聚在碳结构上的带电粒子。研究人员发现，由这样一种材料制成的两个电极被薄薄的空间或绝缘层隔开，形成了一个非常强大的超级电容器。

  电容器的两个极板的作用就像等效电压的可充电电池的两个电极一样。当连接到电源（如电池）时，能量会存储在极板中，然后当连接到负载时，电流会回流以提供电力。

  研究人员Masic表示：“随着混合物凝固和固化，水通过水泥水化反应被系统地消耗，这种水化会从根本上影响碳纳米颗粒，因为它们是疏水性的（防水）。随着混合物的发展，炭黑会自组装成连接的导线。”

  该过程很容易复制，所用材料价格低廉且在世界任何地方都容易获得。Masic表示，实现渗透碳网络所需的碳量非常少，仅占混合物体积的3%。

  研究人员Ulm称由这种材料制造成的超级电容器在帮助世界向可再生能源过渡方面具有巨大潜力。风能、太阳能和潮汐能等无排放能源的主要来源都是在不同的时间产生电力，而这些时间往往与用电高峰不相符，因此存储电力的方法至关重要。

  研究小组计算出，一块尺寸为45立方米的纳米碳黑混凝土块（相当于一个直径约3.5米的立方体）将能够存储约10千瓦时的能量，即一个家庭的平均每日用电量。

  由于混凝土可以保持其强度，因此由这样一种材料制成的地基的房屋可以存储太阳能电池板或风车产生的一天的能量，并可以在需要时使用。而且超级电容器的充电和放电速度比电池快得多。

  经过一系列测试来确定水泥、炭黑和水的最有效比例后，该团队通过制造小型超级电容器来演示该过程，该电容器的大小与一些纽扣电池相当，宽约1厘米，厚约1毫米，每个可以充电至1伏，相当于1伏电池。然后，他们将其中的三个连接起来，以展示其点亮3伏发光二极管（LED）的能力。

  证明了这一原理后，研究人员计划建造一系列更大的版本，从典型12伏汽车电池大小的版本开始，然后发展到45立方米的版本，以展示其强大的存储能力。

  研究人员发现，材料的存储容量与其结构强度之间有权衡。通过添加更多的炭黑，所得的超级电容器可以存储更多的能量，但混凝土的强度稍弱，这对于混凝土不发挥结构作用或不需要混凝土的全部强度潜力的应用非常有用。

  此外，他们还发现对于基础或风力涡轮机底座的结构元件等应用，“最佳点”是混合物中含有约10%的炭黑。

  碳水泥超级电容器的另一个潜在应用是建造混凝土道路，该道路可以储存路边太阳能电池板产生的能量，然后使用与无线充电手机相同的技术将这些能量输送给沿路行驶的电动汽车。德国和荷兰的公司已开发了一种相关类型的汽车充电系统，但使用的是标准电池进行存储。

  研究人员表示，该技术的最初用途可能是用于远离电网的孤立住宅、建筑物或避难所，这些住宅或建筑物或避难所能够最终靠连接到水泥超级电容器的太阳能电池板供电。