混凝土化身巨型“電池”，麻省理工開辟儲能新道路

環球零碳

碳中和領域的《新青年》

來源：MIT

撰文 | Penn

編輯 | 小雨

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在我們的日常認識中，水泥、混凝土這種隨處可見的建筑材料本身都不是導體，自然也不具備導電性能。

不過，為了應對風電、光伏等可再生能源所帶來的間歇性和不穩定性問題，近年來科學家門開始致力于研究混凝土的儲能性能。

早在2023年，麻省理工學院（MIT）的研究人員就找到了一種將水泥、水和炭黑結合在一起的方法，制造出一種用于儲能的“超級電容器” ，為新型儲能打開了一條前所未有的新道路。

他們創造出的導電碳混凝土（ec3）由水泥、水、超細炭黑（含納米級顆粒）和電解質混合而成，在混凝土內部形成導電的“納米網絡”，使墻壁、人行道和橋梁等日常結構能夠儲存和釋放電能。

現在，他們已經將這種導電碳混凝土的存儲容量擴大了近 10 倍，這意味著我們正在逐步將混凝土變成建筑物大小的電池。有朝一日，構建了現實世界的混凝土或將化身巨型“電池”，成為人類儲存和使用能源的新伙伴。

麻省理工學院的研究人員在一篇新發表于《美國國家科學院院刊》（PNAS）的論文中報告稱，他們對替代離子和有機電解質的探索進一步改善了電化學行為，優化的電解質和制造工藝使最新的EC3“超級電容器”的能量密度比之前的設計提高了10倍。

這一容量比之前版本的多功能材料在 2023 年存儲相同能量所需的 45 立方米空間大幅下降。從另一個角度來看，一立方米升級版 ec3（大約相當于一臺冰箱的大小）可以存儲超過 2 千瓦時的電能，足以讓一臺真正的冰箱運行一天。

目前，他們已經成功制造了一個12 V、50 F的超級電容器模塊和一個9 V的拱形原型，并將儲能功能集成到承重建筑構件中。這個拱形集成結構，既能承載結構重量，又能為 LED 供電。

談及這項新研究，麻省理工學院電子傳導碳水泥基材料中心（EC3 Hub）聯合主任、麻省理工學院土木與環境工程（CEE）副教授阿德米爾·馬西奇（Admir Masic）表示：“混凝土可持續性的關鍵在于開發‘多功能混凝土’，它集儲能、 自修復和碳封存等功能于一體。混凝土已經是世界上使用最廣泛的建筑材料，那么為什么不利用這種規模來創造其他效益呢？”

圖說：基于 ec3 的拱形結構既能承載結構重量又能為 LED 供電

來源：MIT

之前，麻省理工學院的研究團隊通過以下方式創建了 ec3：首先將高導電性炭黑、水泥粉和水固化成混凝土混合物；然后將該材料浸泡在氯化鉀等電解質中，電解質提供在碳結構上積聚的帶電粒子。由這種特殊混凝土制成的兩個電極，由一層薄薄的空隙或絕緣層隔開，形成了一個可以儲存能量的超級電容器。

這些導電通路則使水泥“超級電容器”能夠快速存儲大量能量。研究小組當時計算得出，一塊體積為45立方米（相當于一個直徑約3.5米的立方體）、摻有納米碳黑的混凝土，足以儲存約10千瓦時的電能，這相當于一個家庭的日平均用電量。

此次導電碳混凝土能量密度的提升主要得益于對ec3內部納米炭黑網絡如何運作以及如何與電解質相互作用的深入了解。馬西奇副教授表示：“了解這些材料如何在納米尺度上‘組裝’是實現這些新功能的關鍵。”

EC3中心和麻省理工學院混凝土可持續性中心的團隊利用聚焦離子束逐層去除ec3材料的薄層，然后用掃描電子顯微鏡（一種名為FIB-SEM斷層掃描的技術）對每一層進行高分辨率成像，最終以迄今為止最高的分辨率重建了導電納米網絡。

通過這種方法，研究團隊發現該網絡本質上是一個類似分形的“網”，它包圍著ec3的孔隙，正是這種孔隙使得電解質能夠滲透，電流能夠流過整個系統。

隨后，研究人員嘗試了多種不同的電解質，以找到ec3的可行候選材料，以及能夠儲存更多能量且無需后固化步驟的更厚電極。當團隊改用有機電解質時，取得了最佳性能，他們選擇了季銨鹽常見于消毒劑等日常用品中）與一種名為乙腈的常見導電液體相結合的有機電解質。

圖說：EC3 超級電容器原型為電腦風扇和游戲機供電

來源：MIT

新的EC3電解質一立方米（大約相當于一臺冰箱的大小）可以儲存超過2千瓦時的能量，足以為一臺真正的冰箱提供一天的電力。

受古羅馬建筑的啟發，研究人員建造了一個模型大小的拱門，以展示ec3的結構承重和儲能能力。該拱門以 9 伏電壓運行，能夠支撐自身重量和額外負載，同時為 LED 燈供電。

有趣的是，當施加荷載對拱門施加壓力時，燈光會閃爍。“這可能存在一種自我監控能力，” 馬西奇解釋說。“如果我們從建筑尺度來看待 ec3 拱門，它的輸出可能會在受到強風等壓力源的影響時發生波動。我們或許可以將其作為結構何時以及在何種程度上受到壓力的信號，或者實時監測其整體健康狀況。”

圖說：ec3 此前曾被用于加熱日本札幌的人行道板

來源：MIT

目前ec3技術的最新進展使其距離實際可擴展性更近了一步。由于其導熱性能，該技術已被用于 加熱日本札幌的人行道板，代表著一種潛在的鹽浴替代方案。

論文第一作者、EC3 中心研究科學家 Damian Stefaniuk解釋說：“憑借更高的能量密度和在更廣泛應用領域中展現的價值，我們現在擁有了一種強大而靈活的工具，可以幫助我們應對各種持續存在的能源挑戰。我們最大的動機之一是幫助實現可再生能源轉型。”

EC3 中心聯合主任兼 CEE 教授 Franz-Josef Ulm 補充說道：“答案是，你需要一種儲存和釋放能量的方式。這通常意味著電池，而電池往往依賴于稀缺或有害的材料。我們相信 EC3是 一個可行的替代方案，它能讓我們的建筑和基礎設施滿足我們的儲能需求。”

該團隊正在致力于開發可為電動汽車充電的停車位和道路等應用，以及可以完全脫離電網運行的住宅。該團隊承認，雖然大多數商用電池的能量密度比 ec3 高得多，但這感覺像是重新設計一種普遍存在的材料并使其更加有用的第一步。

參考材料：

[1]https://newatlas.com/energy/mit-concrete-battery-powerful-supercapacitor/

[2]https://news.mit.edu/2025/concrete-battery-now-packs-ten-times-power-1001

[3]https://news.mit.edu/2023/mit-engineers-create-supercapacitor-ancient-materials-0731

[4]https://interestingengineering.com/energy/concrete-battery-energy-storage-mit

[5]https://www.popularmechanics.com/science/green-tech/a68296029/slabs-of-concrete-batteries/

[6]https://www.the-independent.com/tech/concrete-battery-home-road-mit-b2838570.html

[7]https://climate.mit.edu/posts/concrete-battery-developed-mit-now-packs-10-times-power

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