麻省理工學院的工程師利用人類最普遍的兩種歷史材料，水泥和炭黑（類似于非常細的木炭），開發了一種新型、低成本的儲能系統。該系統可以作為超級電容器，提供電能的存儲和釋放，從而促進太陽能、風能和潮汐能等可再生能源的使用，使能源網絡在可再生能源供應波動的情況下保持穩定。這項簡單而創新的技術本周在PNAS雜志上發表。

電容器是一種非常簡單的器件，由浸入電解質中并由膜隔開的兩塊導電板組成。當在電容器上施加電壓時，電解液中的帶正電的離子會積聚在帶負電的板上，而帶正電的板上會積聚帶負電的離子。由于極板之間的膜阻止帶電離子遷移，這種電荷分離在極板之間產生電場，電容器帶電。兩塊板可以長時間保持這對電荷，然后在需要時非常快速地輸送它們。超級電容器只是可以存儲異常大電荷的電容器。

電容器可以存儲的功率取決于其導電板的總表面積。因此，要提高電容器的性能，就需要增加導電板的表面積或減小極板之間的距離。然而，這兩種方法都有其局限性，因為導電板的大小和形狀受到物理限制，而極板之間的距離過小會導致電弧或短路。

為了克服這些限制，麻省理工學院的研究團隊采用了一種新穎的方法，利用水泥和炭黑這兩種廉價且廣泛可用的材料，制造出具有極高內表面積的水泥基材料，該材料是由于在其體積內具有密集、互連的導電材料網絡。研究人員通過將高導電性炭黑與水泥粉和水一起引入混凝土混合物中，并使其固化來實現這一目標。當水與水泥發生反應時，水自然會在結構內形成一個分支的開口網絡，碳遷移到這些空間中，在硬化的水泥內形成金屬絲狀結構。這些結構具有類似分形的結構，較大的分支會長出較小的樹枝，而那些長出更小的樹枝會長出更小的樹枝，依此類推，最終在相對較小的體積范圍內具有非常大的表面積。然后將材料浸泡在標準電解質材料中，例如氯化鉀，一種鹽，它提供積聚在碳結構上的帶電粒子。研究人員發現，由這種材料制成的兩個電極，由薄空間或絕緣層隔開，形成一個非常強大的超級電容器。

電容器的兩塊極板的功能就像等效電壓的可充電電池的兩極一樣：當連接到電源時，就像電池一樣，能量存儲在極板中，然后當連接到負載時，電流流回以提供電力。

“這種材料很吸引人，”麻省理工學院土木與環境工程系的Admir Masic教授說，“因為你擁有世界上使用最多的人造材料，水泥，它與炭黑結合在一起，這是一種眾所周知的歷史材料——死海古卷就是用它寫成的。你擁有這些至少有兩千年歷史的材料，當你以特定的方式將它們組合在一起時，你就會想出一種導電納米復合材料，這就是事情變得非常有趣的時候。”

他說，隨著混合物的凝固和固化，“水通過水泥水化反應被系統地消耗掉，這種水化從根本上影響了碳的納米顆粒，因為它們是疏水的（排斥水）。隨著混合物的演變，“炭黑會自組裝成一根相連的導線，”他說。該過程易于復制，材料價格低廉，在世界任何地方都很容易獲得。Masic說，實現滲流碳網絡所需的碳量非常小 - 僅占混合物體積的3%。

麻省理工學院土木與環境工程系的Franz-Josef Ulm教授說，由這種材料制成的超級電容器具有巨大的潛力，可以幫助世界向可再生能源過渡。無排放能源、風能、太陽能和潮汐能的主要來源都在可變時間產生輸出，而這些時間通常與用電高峰不對應，因此儲存電力的方法至關重要。“對大型儲能有巨大的需求，”他說，現有的電池太貴了，而且主要依賴鋰等材料，鋰的供應有限，因此迫切需要更便宜的替代品。“這就是我們的技術非常有前途的地方，因為水泥無處不在，”烏爾姆說。

該團隊計算出，一塊尺寸為45立方米（或碼）的納米碳黑摻雜混凝土 - 相當于一個約3.5米寬的立方體 - 將有足夠的容量來存儲約10千瓦時的能量，這被認為是一個家庭的平均每日用電量。由于混凝土將保持其強度，因此由這種材料制成的地基的房屋可以存儲太陽能電池板或風車產生的一天的能量，并在需要時使用。而且，超級電容器的充電和放電速度比電池快得多。

在進行了一系列用于確定水泥、炭黑和水最有效比例的測試后，該團隊通過制造小型超級電容器來演示這一過程，這些超級電容器的大小與一些紐扣電池差不多，直徑約1厘米，厚度約1毫米，每個超級電容器可以充電到1伏特，相相當于1伏特電池。然后，他們連接了其中三個，以展示它們點亮 3 伏發光二極管 （LED） 的能力。在證明了這一原理之后，他們現在計劃建造一系列更大的版本，從大約一個典型的12伏汽車電池大小的版本開始，然后增加到45立方米的版本，以證明其存儲房屋價值的能力。

他們發現，材料的存儲容量與其結構強度之間存在權衡。通過添加更多的炭黑，產生的超級電容器可以儲存更多的能量，但混凝土略弱，這對于混凝土不起結構作用或不需要混凝土的全部強度潛力的應用可能很有用。他們發現，對于地基或風力渦輪機底座的結構元件等應用，“最佳點”是混合物中約10%的炭黑。

碳水泥超級電容器的另一個潛在應用是用于建造混凝土道路，該道路可以儲存太陽能電池板產生的能量，然后使用與無線充電手機相同的技術將能量輸送到沿道路行駛的電動汽車。德國和荷蘭的公司已經在開發一種相關類型的汽車充電系統，但使用標準電池進行存儲。

研究人員說，該技術的最初用途可能是用于遠離電網的孤立房屋或建筑物或避難所，這些房屋或避難所可以由連接到水泥超級電容器的太陽能電池板供電。

烏爾姆說，該系統具有很強的可擴展性，因為儲能容量是電極體積的直接函數。“你可以從1毫米厚的電極變成1米厚的電極，通過這樣做，基本上你可以將儲能容量從點亮LED幾秒鐘，擴展到為整個房子供電，”他說。根據給定應用所需的特性，可以通過調整混合物來調整系統。烏爾姆說，對于車輛充電道路，需要非常快的充電和放電速率，而對于家庭供電，“你有一整天的時間來充電”，因此可以使用較慢的充電材料。“所以，它確實是一種多功能材料，”他補充道。除了能夠以超級電容器的形式儲存能量外，通過簡單地將電力施加到碳纖維混凝土上，相同種類的混凝土混合物還可以用作加熱系統。烏爾姆認為這是“作為能源轉型的一部分，展望混凝土未來的一種新方式”。

該研究團隊還包括麻省理工學院土木與環境工程系的博士后Nicolas Chanut和Damian Stefaniuk，Wyss研究所的James Weaver以及麻省理工學院機械工程系的Yunguang Zhu。這項工作得到了麻省理工學院混凝土可持續發展中心的支持，并得到了混凝土進步基金會的贊助。