基于水泥的超級電容器構建新式儲能系統

編譯 高斯寒

新式“超級電容器”混凝土會保持原有強度，因此用這種材料建造地基的房屋能儲存由太陽能板或風力發電產生的、一天所需的能量，并允許在需要時隨時使用

一種用炭黑和水泥制造的新式超級電容器具備成本低和效率高的特點，能在建筑物的混凝土地基中儲存一天所需的能量，或者在電動車駛過路面時向它們提供非接觸式充電。根據研發出這項技術的麻省理工學院（MIT）和哈佛大學維斯研究所的研究者所述，這種裝置也能使太陽能、風能和潮汐能等可再生能源的使用變得便利。

學術上，超級電容器被稱為雙電層電容器或電化學電容器，性能處于蓄電池和傳統介質電容器之間。超級電容器盡管在儲存電荷方面弱于蓄電池，但是優于傳統電容器，這得益于超級電容器的多孔電極，它們擁有高達數平方千米的表面積。當施加電壓后，這些裝置的電解質-電極界面形成雙層結構，進一步提升能儲存的電荷量。

相比于蓄電池，超級電容器也擁有一些優勢。蓄電池需要數小時來充電和放電，而超級電容器能在幾分鐘內完成充電和放電。它們也有長得多的壽命，能堅持數百萬次充放電循環，而不是數千次。超級電容器也不像電池那樣通過化學反應來工作，而是以聚集在電極表面的帶電離子的形式儲存能量。

極高的內部表面積

由弗朗茨-約瑟夫 · 烏爾姆（Franz-Josef Ulm）、阿德米爾 · 馬西克（Admir Masic）和邵陽（Yang-Shao Horn）帶領的團隊研發出的這種新裝置含有一種擁有極高內部表面積的水泥基材料。研究者從一種含有炭黑（類似于十分細的木炭）的干水泥混合物開始制備，再往這種混合物中加入水和強塑劑（這是一種混凝土生產中的標準減水摻和物）。隨著水與水泥發生反應，自然地在結構中形成一種分岔的孔隙網絡，碳遷移進入這些孔隙，形成有著分形樣結構的絲狀構造。正是這種致密、互連的網絡結構給材料提供了極大的表面積。

“我們將新制備的材料填入塑料管，讓它們硬化至少28天。”烏爾姆解釋說，“我們接著把樣品切割為電極尺寸的厚片，將這些電極浸入標準的電解液（氯化鉀），用兩個被一層絕緣膜隔開的電極構造出一個超級電容器。”

研究者接下來將一個電極連接正電荷，另一個電極連接負電荷，借此將電極極化。在充電時，來自電解液的陽離子聚集在帶負電的碳絲上，而陰離子聚集在帶正電的碳絲上。

一天的能量

由于絕緣膜隔在中間，帶電離子無法在兩個電極之間遷移。這種不均衡產生電場，從而給超級電容器充電。“立體碳線填滿了可用的空間，我們用拉曼光譜證實了這一點。這個事實允許我們能在炭黑的極大表面上儲存許多能量。”烏爾姆說，“我們隨后將能源與超級電容器斷開后，儲存的能量可以釋放出來，從而能為各種應用提供電力。”

根據他們的計算，一塊體積為45立方米的材料塊（相當一個邊長為3.55米長的立方體）能夠儲存大約10千瓦時的能量。這大約等同于一戶普通人家的日均用電量。因而，在含有這種碳-混凝土復合材料的地基上建造的房屋能儲存一天所需的能量（譬如，由太陽能板生成的能量），在需要時再釋放能量。這種材料也可以結合進間歇性發電機（譬如風力發電機），這樣就能在地基儲存能量，在間歇期釋放能量。

超級電容器的另一個潛在應用——這是一個高端應用——是把它添加到混凝土道路中。這些超級公路將能夠儲存能量（或許由公路兩旁的太陽能板生成），再通過電磁感應把能量傳遞給馳騁而過的電動汽車。這項技術基本上與手機無線充電技術相同，研究者說，它也可以用來給停下的電動汽車充電，譬如在一處停車場上。

研究人員補充道，更近期的應用也許是在遠離電網的建筑物中使用附加超級電容器的太陽能板給房屋供電。

高可擴展系統

烏爾姆說，這個系統的可擴展性十分強，因為儲能容量隨著電極體積成比例地增加。他解釋說：“你可以從1毫米厚的電極擴大到1米厚的電極，通過這么做，你基本上就能將儲能容量從讓一盞LED燈亮幾秒鐘放大到能為一整座房子供能。”根據某個特定應用所需的性質，可以通過調整材料來調節系統。對于一條給車輛充電的道路，會需要十分快的充電和放電速率。給一座房子供能的話，可以有一整天來給它充電，所以可以使用充電速率稍慢的材料。

烏爾姆告訴《物理世界》雜志：“這種構成材料十分容易獲得的事實，為重新思考儲能解決方案開辟了一條新路線。混凝土是地球上僅次于水的消耗量最高的材料，但它帶來一個無法忽視的環境成本，因為全球每年生產40億噸的混凝土，約占全球二氧化碳排放量的8%。因此，我們的整體重心是要讓混凝土成為一種多功能材料，能提供額外的有用的社會功能。

今時今日，假如我們要控制氣候變化的影響，能量儲存至關重要。此前的研究已經顯示，水泥-碳混合物能被用來制備一種導電水泥。然而，這種導電性要儲存能量還不夠。“我們假設疏水性炭黑存在的情況下，對親水性水泥進行水化，自然會提供另外兩個所需的標準：儲存孔隙率和傳輸孔隙率。”烏爾姆說。

研究人員目前的工作重點是制造一種超級電容器，它可以存儲與12 V電池相同的電量。“我們認為，這種裝置是構建更先進裝置的基礎。”烏爾姆說。

資料來源PhysicsWorld