根據一項新的研究，水泥和炭黑（類似於非常細的木炭）這兩種人類最普遍的歷史材料可能成為一種新型、低成本能源儲存系統的基礎。這項技術可以讓能源網路在再生能源供應波動的情況下保持穩定，從而促進太陽能、風能和潮汐能等再生能源的使用。

麻省理工學院的工程師們用古老而豐富的材料製造出了一種”超級電容器”，可以儲存大量能量。這種裝置僅由水泥、水和炭黑（類似於木炭粉末）製成，可作為儲存間歇性可再生能源（如太陽能或風能）的廉價系統的基礎。圖片來源：Franz-Josef Ulm、Admir Masic 與Yang-Shao Horn 提供

研究人員發現，這兩種材料可以與水結合，製成超級電容器（電池的替代品），從而提供電能儲存。開發該系統的麻省理工學院研究人員舉例說，他們的超級電容器最終可以安裝在房屋的混凝土地基中，這樣就可以儲存一整天的電能，同時幾乎不增加（或減少）地基的成本，還能提供所需的結構強度。研究人員還設想了一種混凝土路面，可以在電動車經過該路面時為其提供非接觸式充電。

麻省理工學院教授弗朗茨-約瑟夫-烏爾姆（Franz-Josef Ulm）、阿米爾-馬西奇（Admir Masic）和楊-邵-霍恩（Yang-Shao Horn）以及麻省理工學院和威斯研究所的其他四位教授在最近發表在《美國科學院院刊》（PNAS）上的一篇論文中介紹了這項簡單而創新的技術。

從原理上講，電容器是一種非常簡單的裝置，它由浸在電解液中的兩塊導電板組成，中間用薄膜隔開。當電容器上施加電壓時，電解液中的正電離子會聚集在帶負電的板上，而帶正電的板則會聚集帶負電的離子。由於板間的薄膜阻擋了帶電離子的遷移，電荷的分離在板間產生了電場，電容器就帶電了。兩塊極板可以長時間保持這對電荷，並在需要時迅速釋放電荷。超級電容器是一種能夠儲存超大電荷的電容器。

電容器可儲存的電量取決於其導電板的總表面積。研究小組開發的新型超級電容器的關鍵在於一種生產水泥基材料的方法，由於水泥基材料的體積內存在密集、相互連接的導電材料網絡，因此這種材料具有極高的內表面積。研究人員將導電性極強的炭黑與水泥粉和水一起引入混凝土混合物中，並讓其固化，從而實現了這一目標。水與水泥反應後，自然會在結構上形成一個由開口組成的分支網絡，而碳則會遷移到這些空間中，在硬化的水泥中形成類似導線的結構。

這些結構具有類似分形的結構，較大的分枝長出較小的分枝，這些分枝又長出更小的分枝，如此循環，最終在相對較小的體積內形成了極大的表面積。然後，將這種材料浸泡在標準電解質材料（如氯化鉀，一種鹽）中，從而在碳結構上積聚帶電粒子。研究人員發現，由這種材料製成的兩個電極之間隔著一層薄薄的空間或絕緣層，可以形成一個非常強大的超級電容器。

由於這種新型”超級電容器”混凝土可以保持強度，因此用這種材料做地基的房屋可以儲存太陽能電池板或風車一天所產生的能量，並在需要時隨時使用。圖片來源：Franz-Josef Ulm、Admir Masic 與Yang-Shao Horn 提供

電容器的兩塊極板就像電壓相當的充電電池的兩極： 與電池一樣，連接到電源時，能量會儲存在極板中，然後當連接到負載時，電流會流回，從而提供電能。

“這種材料令人著迷，”馬西奇說，”因為你擁有世界上最常用的人造材料–水泥，它與炭黑結合在一起，而炭黑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結合在一起時，就會產生一種導電奈米複合材料，這時事情就變得非常有趣了。”

他說：『隨著混合物的凝固和固化，水會透過水泥水化反應被系統性地消耗掉，而這種水化反應會從根本上影響奈米碳粒子，因為它們是疏水的（拒水）。隨著混合物的演變，炭黑會自組裝成一根相連的導電線。這種工藝很容易複製，使用的材料價格低廉，在世界上任何地方都可以買到。實現滲碳網絡所需的碳量非常少，僅佔混合物體積的3%。”

用這種材料製成的超級電容器在幫助世界向再生能源過渡方面潛力巨大。無排放能源的主要來源–風能、太陽能和潮汐能–都是在不固定的時間輸出的，往往與用電高峰期不一致，因此儲存電能的方法至關重要。「現在非常需要大型能源儲存設備，現有的電池過於昂貴，而且主要依賴鋰等材料，而鋰的供應有限，因此急需更便宜的替代品。」烏爾姆說：『這正是我們的技術極具前景的地方，因為水泥無所不在。”

研究小組計算出，一塊45 立方公尺（或碼）大小的摻有奈米碳黑的混凝土（相當於一個直徑約3.5 公尺的立方體）足以儲存約10 千瓦時的能量，這相當於一個家庭平均每天的用電量。由於混凝土可以保持強度，因此用這種材料做地基的房屋可以儲存太陽能電池板或風車一天的發電量，並在需要時隨時使用。而且，超級電容器的充放電速度比電池快得多。

經過一系列測試，確定了水泥、炭黑和水的最有效配比後，研究小組製作了小型超級電容器，與一些紐扣電池差不多大小，直徑約1 厘米，厚約1 毫米，每個都能充至1 伏特，相當於1 伏特的電池。然後，他們連接了三個這樣的電池，展示了它們點亮3伏發光二極管（LED）的能力。在證明了這一原理後，他們現在計劃製造一系列更大的版本，從與典型的12 伏特汽車電池大小相當的版本開始，然後逐步擴大到45 立方米的版本，以展示其存儲一屋電力的能力。

他們發現，這種材料的儲存能力與其結構強度之間存在著折衷。透過添加更多的炭黑，產生的超級電容器可以儲存更多的能量，但混凝土的強度會稍弱一些，這對於混凝土不發揮結構作用或不需要混凝土的全部強度潛力的應用可能是有用的。他們發現，對於地基或風力渦輪機底座結構件等應用，”最佳點”是混合物中約10% 的碳黑。

碳水泥超級電容器的另一個潛在應用是建造混凝土路面，這種路面可以儲存路邊太陽能板產生的能量，然後利用無線充電手機使用的同類技術將能量輸送給沿路行駛的電動車。德國和荷蘭的公司已經在開發一種相關的汽車充電系統，但使用的是標準電池。

研究人員說，這種技術的最初用途可能是遠離電網的孤立住宅、建築或避難所，可以由連接在水泥超級電容器上的太陽能電池板供電。

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。烏爾姆說：”可以從1 毫米厚的電極擴展到1 米厚的電極，通過這樣做，基本上可以將儲能能力從點亮LED 幾秒鐘擴展到為整棟房子供電。”

根據特定應用所需的特性，可以透過調整混合物來調整系統。對於汽車充電道路來說，需要非常快速的充放電速度，而對於家庭供電來說有一整天的時間來充電，因此可以使用充電速度較慢的材料。

因此，這確實是一種多功能材料。除了能以超級電容器的形式儲存能量外，同一種混凝土混合物還可用作加熱系統，只需向含碳混凝土通電即可。

烏爾姆認為這是”展望混凝土作為能源轉型一部分的未來的一種新方式”。