【產(chǎn)通社，8月7日訊】隨著我們繼續(xù)嘗試擺脫化石燃料，研究人員正在尋找新的方法以儲存太陽能電池板等綠色能源產(chǎn)生的能量。作為這項工作的一部分，哈佛大學(xué)Wyss生物靈感工程研究所和麻省理工學(xué)院（MIT）的一組研究人員開發(fā)了一種超級電容器，只使用水泥、水和一種叫做炭黑的碳。

可再生能源產(chǎn)生的能量通常需要儲存起來以備不時之需。但是電池并不總是最好的選擇，它們需要時間充電，而且建造它們需要鋰等難以獲得的材料，這些材料價格昂貴，而且對環(huán)境有害。麻省理工學(xué)院土木和環(huán)境工程教授Franz-Josef Ulm和他的同事們有興趣用水泥等容易獲得的材料開發(fā)超級電容器，不僅填補了電池技術(shù)留下的空白，還解決了另一個環(huán)境問題：混凝土的碳足跡。他們的工作成果發(fā)表在7月31日的《PNAS》雜志上。

新論文的高級作者Ulm說，“水泥和混凝土生產(chǎn)巨大的環(huán)境足跡，約占全球二氧化碳排放量的8%。我們可以使用這種儲能解決方案來支持從化石燃料到可再生能源的迫切需要的過渡——一磚一瓦、一墻一墻、一條條道路。”

該團(tuán)隊試圖通過將水泥用作超級電容器電極的基礎(chǔ)來挽回水泥的形象。與使用化學(xué)反應(yīng)儲存和釋放電能的電池不同，超級電容器通過在兩個導(dǎo)電板之間產(chǎn)生電荷差來工作。這種電荷可以維持很長時間，需要時可以快速放電。

為了制造超級電容器，該團(tuán)隊將水泥和水制成的糊狀物混合在一起，然后引入少量炭黑，這是一種類似木炭的精細(xì)碳形式，數(shù)千年來一直被用作顏料和書寫材料。例如，公元前3世紀(jì)，碳黑被用來書寫死海古卷。拋開歷史不談，炭黑也是一種高導(dǎo)電材料。

當(dāng)水泥混合物固化時，水被吸收并留下一個由炭黑填充的分支隧道網(wǎng)絡(luò)。最終結(jié)果是，水泥漿填充在大表面積的導(dǎo)電線狀隧道，而沒有擴(kuò)大電極的總體積。

Ulm說，電極中炭黑的反應(yīng)是一個至關(guān)重要的發(fā)現(xiàn)，因為它可以使這種超級電容器的規(guī)模變得更簡單。

“我們發(fā)現(xiàn)，最大的能量儲存能力只取決于炭黑的比表面積，”Ulm說。“由于這種炭黑充滿了空間——這要歸功于化學(xué)的魔力！—我們可以簡單地增加容量，以創(chuàng)建大規(guī)模的大宗能源解決方案�！�

該團(tuán)隊通過將兩個電極浸泡在電解質(zhì)溶液中，為系統(tǒng)提供帶電粒子，從而完成了超級電容器。試驗中，他們制造了能夠保持1V電荷的紐扣大小電容器，并確定該電容器能夠在10，000次充放電循環(huán)后以最小的損失保持其存儲容量。三個1V的超級電容器也能給3V的LED充電。

該團(tuán)隊還開發(fā)了紐扣大小的電容器，其中水泥與炭黑的比例不同，但他們發(fā)現(xiàn)，盡管向混合物中添加更多的炭黑(體積百分比超過10%)可以增加其存儲容量，但這是以水泥的結(jié)構(gòu)完整性為代價的。對于Ulm和他的同事們想到的用例，水泥的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是至關(guān)重要的。

混凝土已經(jīng)用于建造道路，該團(tuán)隊認(rèn)為混凝土道路有機(jī)會在汽車行駛時為汽車無線充電，類似于智能手機(jī)的無線充電板。“這種自動充電道路已經(jīng)存在，但使用嵌入道路系統(tǒng)的線圈，并(主要)連接到電網(wǎng)能源。我們系統(tǒng)中的能量將從清潔能源中獲取，并儲存在路面結(jié)構(gòu)中�！�

該團(tuán)隊還計劃將這些超級電容器集成到住宅的地基中。他們估計，一個45立方米的超級電容器樣本可以儲存10千瓦時的能量，相當(dāng)于美國普通家庭日常用電量的三分之一。


剪報來源：https://spectrum.ieee.org/supercapacitor
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