你「家」可以變電池了。最近麻省理工學院的一個新研究，有點突破常規認知，他們可以把房子變成一個巨大的「電池」。這個團隊將水、水泥、炭黑等的混合物變成了超級電容器，不僅可以存電，還可以放電。目前大多數建築物和道路都是由水泥混合物組成，想像一下，當你住的房子和道路都變成了大號充電寶。全面再生的能源時代，還會遠嗎？

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房子變電池

建造這種“超級電容器”，並不需要什麼高精尖的科技材料，甚至非常簡單，用的都是生活中最常見的原材料，而且都非常便宜——水、水泥和炭黑。

我們不常聽到的炭黑，也不是什麼難以合成的材料。這是一種用於製造汽車輪胎的高導電材料，是不完全燃燒過程中產生的木炭雜質，可以用來製造墨水、顏料、橡膠…

將它們混合、凝固後，就可以獲得一個儲能高，而且幾乎不損耗的導電奈米級複合材料。

其實原理也很簡單，麻省理工學院的科學家發現，當水泥與水混合且靜置一段時間後，水泥與水反應時，就會產生一些空隙。

這時候炭黑派上了用場，將其混入混凝土混合物中後，由於其疏水性，排斥水分，碳會聚集在這些空隙中，自然形成一種類似於樹枝狀的網絡，最後在凝固硬化的水泥中會形成一種線狀的結構。

這些線狀結構像樹枝一樣，會產生許多大的分支，大的分支又會產生較小的分支，較小的分支則會越來越小地分裂下去。最終致使在看起來極為有限的空間中形成巨大的表面積。

要知道，電容器的儲能量是和電極的體積相關的，如果把1毫米變成1米，就能提供更多的電力。在極為有限的空間中，形成巨大的表面積這個特性，為接下來的儲能上限的研究增加了極大的想像空間。

而加入的炭黑則擔任了導電線的角色，水泥與水反應後這些線狀結構就像是連接兩個極板的橋樑，使得整個混合物具有了導電性。

計畫參與者之一的馬希奇（Admir Masic）表示，隨著混合物的固化，水泥中的水化反應系統性地消耗了水分，而這種水化反應主要影響奈米碳顆粒，因為它們具有疏水性。炭黑則會形成一條導電線。最重要的是，只需使用在地球上任何地方都能獲得的這些廉價材料，就能輕易複製這個過程。

然後，他們將這種材料浸入常規電解質材料中，例如氯化鉀，利用薄薄的空間或絕緣層隔開，氯化鉀的帶電粒子會沉澱在碳絲結構上。結果是，就會形成一個非常強大的超級電容器，可以儲存電能並達到10000次以上的穩定充放電循環。

不過嚴格來說，超級電容器並不等於電池，而是介於電池和電容之間的一種儲能裝置。

簡單來說，電池是將化學能轉換為電能的裝置，它透過在化學反應中將化學能轉化為電子的形式來儲存電能。其壽命有限，在能量轉換的過程中會有損耗。

電容器的工作原理，則是在兩個電導板之間積聚電荷，透過電場來儲存電能。

而電容器儲能和放電的過程不涉及化學反應，因此循環壽命很長，其充放電速度比電池快得多。

但因為電容器的能量密度較低，放電速度過快等局限性，限制了電容器的應用場景。

而超級電容器，就是介於兩者之間的一種特殊電容器，利用電極和電解質之間形成的靜電雙層來儲存電荷，可以儲存和釋放比普通電容器更多的電能，並且可以比電池更快地充放電。

之所以研究這樣的超級電容器，省理工學院土木工程教授、這項研究的作者之一的弗朗茨（Franz-Josef Ulm）表示，因為太陽能和風能並不總是可用，迅速建造更多價格合理的儲能設備是擺脫化石燃料的必要條件。

而且超級電容器不會隨著時間而降低儲能能力，也不需要使用鋰離子電池中那些昂貴、有爭議的材料，如鈷和鋰。由於炭黑很便宜，其成本跟混凝土的成本差不多。

在極低的成本下，有著相當廣闊的落地空間。

例如應用在房屋建設中，透過電纜連接屋頂上的太陽能板，使用這種材料製成的地基可以用來儲存與房屋一天內使用量相當的太陽能。

房子就會變身成為巨大的行動電源，隨用隨儲。

這個團隊的研究也發現，添加的炭黑越多，超級電容器儲存的能量就越多，不過混凝土結構強度也會下降，所以可以針對所需混凝土結構的強度不同，來添加炭黑的比例造出不同的混凝土“電池”。

不僅如此，在風力發電場中，它可以用於風力渦輪機的底座，這種混凝土還可以用來製造道路，可以在電動車經過該路面時為其提供非接觸式充電。

這就比較有趣了，在經過一系列研究石墨烯、爐子煉超導等大費周章的手段以後，這次人們需要的，也許僅僅只是一台攪拌機。

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仍在起步階段

其實這項技術並非剛問世，在2023年，麻省理工的這個團隊就在《PNAS Nexus》雜誌上發表了「混凝土電池」的文章，也做出了小型樣品。

團隊當時認為，一個家庭的平均每日用電量約為10度。根據計算，一塊尺寸為45立方公尺（或碼）的奈米炭黑摻雜混凝土，也就是一個約3.5公尺寬的立方體，儲存一日所需能量綽綽有餘。

由它造成的房子還能一直儲存太陽能發電或風力發電帶來的能量，而且它的特性決定充放電速度比我們現在常用的電池快得多。只要有需要，無論什麼物品，都可以自由使用它所儲備的電源。

理論成立的情況下，他們也開始實操。在測試確定水泥、炭黑和水的最佳比例之後，團隊創造了一些和紐扣電池差不多大小的超級容電器。每個超級電容器可以充電到1伏特，連接其中三個就可以看到這些小東西點亮3伏發光二極管（LED）的能力。

證明可行性之後，他們計劃從建造一個大約12伏特汽車電池大小的版本開始，慢慢增加到45立方米，而且他們還設想，用這種混凝土材料來鋪路。借助感應技術，路過的電動車就可以邊移動邊充電。

不過截至目前，這項技術仍處於起步階段。他們目前驗證的結論是，炭水泥超級電容器只能儲存為10瓦的LED供電30小時的能量。

此外，早在2021 年，瑞典查爾姆斯理工大學（Chalmers University of Technology）的一個團隊稱，已經研究出了可充電混凝土的雛形，與之前的容量相比，儲存的電量增加了900%以上。

他們的研究人員首先在以水泥為基礎的混合物中加入少量的短碳纖維，然後在混合物中嵌入一個金屬塗層的碳纖維網，鐵為陽極、鎳為陰極。

和用馬鈴薯製作電池類似，這個裝置被證明能夠進行放電然後再充電。儘管採用新的設計其儲能比之前的容量多出10倍。但實驗中，該電池平均能量密度為每平方公尺7瓦時（或每公升0.8瓦時），與商業電池相比能量密度很低。

根據這項研究的聯合作者Emma Zhang的發言，這個裝置200平方米的儲能僅可以供應一個典型美國家庭每日用電量的8%。

顯然，麻省理工的研究已經不再需要在混凝土中鋪設網狀電極，而且性能也比瑞典團隊的裝置更高。

雖然說「混凝土電池」的研究仍處於實驗室階段，但是超級電容器的應用範圍已經很廣。在我們的日常生活中，像是手機、相機、路燈、電動玩具等設備都可以看到超級電容器的身影。

舉個例子，由於其充放電速度快、重複使用次數多，超級電容器在軌道運輸領域被廣泛使用。

2020年，上海市新增了89輛超級電容公車，涵蓋了中心城區的五條主要路線。這些公車可以利用乘客上下車的間隙，1分鐘的時間就能充滿電，續航里程達到10-15千米。

同樣，它也被應用於分散式發電和配電網系統、軍事設備、有軌電車等領域。

可以預見，當我們攻克超級電容器存電量不足、工作電壓較低等挑戰後，「混凝土電池」才會落地有望。很多人的“家”，也能變成小型發電站了。