中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
混凝土這一筑就現(xiàn)代城市的基礎(chǔ)材料，如今正邁出新的一步，或?qū)⒊袚?dān)起“儲(chǔ)能”的全新使命。
近日，麻省理工學(xué)院（MIT）研究團(tuán)隊(duì)在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上發(fā)表論文，宣布其研發(fā)的“電子導(dǎo)電碳混凝土”（Electron-Conducting Carbon Concrete，簡稱 ec3）在能量存儲(chǔ)方面取得重大突破。這種材料通過在傳統(tǒng)水泥和水中引入超細(xì)碳黑納米顆粒與電解質(zhì)，能夠在混凝土內(nèi)部形成一種導(dǎo)電“納米網(wǎng)絡(luò)”，使得墻壁、人行道甚至橋梁未來都有望兼具儲(chǔ)能功能，成為“巨型電池”。
早在 2023 年，研究人員就提出，若要讓混凝土儲(chǔ)存足夠電能以滿足一戶普通家庭的一天用電需求，大約需要 45 立方米的 ec3，相當(dāng)于一座典型地下室的體量。而在最新成果中，通過優(yōu)化電解質(zhì)種類與添加工藝，團(tuán)隊(duì)成功將所需體積縮減至僅 5 立方米，大致等于一面普通地下室墻壁的體積。換句話說，儲(chǔ)能密度提升了一個(gè)數(shù)量級。
MIT 土木與環(huán)境工程系副教授、EC3 Hub 聯(lián)合主任阿德米爾·馬西奇（Admir Masic）表示：“混凝土的可持續(xù)性關(guān)鍵在于開發(fā)‘多功能混凝土’，讓它不僅是建筑材料，還能實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能、自愈和碳捕集等功能。既然混凝土已是全球最常用的建材，為什么不借此規(guī)模來創(chuàng)造更多價(jià)值呢？”
研究人員利用 FIB-SEM 層析技術(shù)（即離子束逐層切割與掃描電鏡成像結(jié)合），首次在納米尺度上重建了 ec3 內(nèi)部的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。他們發(fā)現(xiàn)，碳黑顆粒在混凝土孔隙周圍形成了類似分形的“蜘蛛網(wǎng)”結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)既能被電解質(zhì)充分滲透，又能讓電流順暢流動(dòng)，從而顯著增強(qiáng)儲(chǔ)能性能。
正是基于對這種納米網(wǎng)絡(luò)的深入理解，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探索了不同電解質(zhì)及其濃度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，適用范圍很廣，甚至包括海水。這意味著 ec3 在近海和海洋環(huán)境中或許大有用武之地，例如作為海上風(fēng)電的支撐結(jié)構(gòu)。
此前，研究人員通常先讓 ec3 電極固化，再通過浸泡方式將電解質(zhì)注入。但這種方式滲透效率有限。此次團(tuán)隊(duì)改為在拌制混凝土?xí)r直接將電解質(zhì)加入拌水中，省去了后續(xù)步驟，使得電解質(zhì)能自然均勻分布在材料內(nèi)部。這樣不僅提高了效率，也允許澆筑更厚的電極，從而增加儲(chǔ)能容量。
在電解質(zhì)選擇上，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用以季銨鹽（常見于消毒劑等日常產(chǎn)品）與乙腈（常用工業(yè)導(dǎo)電液體）為基礎(chǔ)的有機(jī)電解質(zhì)時(shí)，性能提升最為顯著。一個(gè)立方米的這種 ec3，約等于一臺(tái)冰箱的體積，能夠存儲(chǔ)超過 2 千瓦時(shí)的能量——足以維持真實(shí)冰箱運(yùn)行一整天。
雖然 ec3 的能量密度仍不及傳統(tǒng)電池，但它的獨(dú)特優(yōu)勢在于可直接融入建筑結(jié)構(gòu)本身，無論是地板、墻體，還是拱頂與穹窿。只要建筑存在，儲(chǔ)能功能也隨之延續(xù)，大大減少了后期維護(hù)與更換需求。
馬西奇教授提出類比：“古羅馬人在混凝土建造上曾取得輝煌成就。至今仍屹立不倒的萬神殿，未加鋼筋卻依然堅(jiān)固。如果我們延續(xù)這種結(jié)合材料科學(xué)與建筑美學(xué)的精神，或許正站在一場‘多功能混凝土’建筑革命的門檻上?！?nbsp;
研究團(tuán)隊(duì)還制作了一座微型 ec3 拱門，在 9 伏電壓下既能承重，又能點(diǎn)亮 LED 燈。有趣的是，當(dāng)拱門負(fù)載增加時(shí)，燈光會(huì)出現(xiàn)閃爍。這提示了應(yīng)力與電流分布間的潛在關(guān)聯(lián)，意味著未來或許能利用這種“波動(dòng)”實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自監(jiān)測——當(dāng)遭遇風(fēng)荷載等外力時(shí)，建筑本身能通過電信號(hào)反饋出健康狀況。
事實(shí)上，ec3 已在現(xiàn)實(shí)中有所應(yīng)用。在日本札幌，當(dāng)?shù)卦闷鋵?dǎo)熱性能建造加熱人行道，以取代傳統(tǒng)撒鹽除冰方式。而隨著儲(chǔ)能能力提升，應(yīng)用前景更加廣闊。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)想的場景包括：停車場與道路，可為電動(dòng)汽車提供無線充電；住宅與社區(qū)，房屋墻體儲(chǔ)能，使家庭實(shí)現(xiàn)“離網(wǎng)運(yùn)行”；基礎(chǔ)設(shè)施，橋梁、地鐵甚至城市廣場，成為分布式儲(chǔ)能網(wǎng)絡(luò)的一部分。
MIT 研究科學(xué)家、論文第一作者達(dá)米安·斯特凡紐克（Damian Stefaniuk）指出：“我們的初衷之一就是助力可再生能源轉(zhuǎn)型。太陽能效率已大幅提升，但發(fā)電依賴日照。夜間和陰天如何滿足能源需求？答案就是儲(chǔ)能。而 ec3 能在不依賴稀缺或有害材料的前提下，提供解決方案。”
EC3 Hub聯(lián)合主任、MIT教授弗朗茨-約瑟夫·烏爾姆（Franz-Josef Ulm）補(bǔ)充說：“以往的儲(chǔ)能主要依靠電池，但電池制造往往涉及稀缺甚至有害物質(zhì)。我們認(rèn)為，ec3 能作為可行替代，讓建筑和基礎(chǔ)設(shè)施直接承擔(dān)儲(chǔ)能功能?！?nbsp;
康奈爾大學(xué)材料與設(shè)計(jì)技術(shù)副教授、論文合著者詹姆斯·韋弗（James Weaver）總結(jié)道：“混凝土是古老的建材，而我們證明它可以承擔(dān)全新的功能。通過將現(xiàn)代納米科學(xué)與人類文明最基礎(chǔ)的材料結(jié)合，我們正在打開一扇大門，讓未來的基礎(chǔ)設(shè)施不僅承載生活，更為生活供能。”
隨著研究不斷深入，電子導(dǎo)電碳混凝土有望成為能源轉(zhuǎn)型與智慧城市建設(shè)的重要一環(huán)。從羅馬萬神殿的永恒拱頂，到未來能自發(fā)光、可充電的現(xiàn)代建筑，人類或許正在迎來一場前所未有的建筑與能源革命。
