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儲能大突破！全新超級電容器僅由水泥、水和炭黑制成……

2023-08-01 16:57:01來源：金融界  

根據麻省理工學院（MIT）的一項新研究，人類歷史上最為常見的兩種材料，水泥和炭黑（類似于非常精細的木炭），可能成為一種新型低成本儲能系統的基礎原料。

MIT研究人員發現，這兩種材料可以與水結合，制成超級電容器（電池的替代品），從而可以儲存電能。據稱，這項技術可以使能源網絡在可再生能源供應波動的情況下保持穩定，從而促進太陽能、風能和潮汐能等可再生能源的使用。

例如，研究人員說，他們的超級電容器最終可以被整合到房屋的混凝土基礎中，在那里它可以儲存一整天的能量，而基礎的成本很少（或根本沒有），并且仍然提供房屋所需的結構強度。研究人員還設想建設一條混凝土道路，可以為行駛在這條道路上的電動汽車提供非接觸式充電。最新研究成果已于近期發表在了《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。


(資料圖片僅供參考)

電容器原則上是非常簡單的裝置，由浸沒在電解液中的兩個導電板組成，并由膜隔開。當對電容器施加電壓時，來自電解質的帶正電的離子積聚在帶負電的極板上，而帶正電的極板則積聚帶負電的離子。

由于板之間的膜阻止了帶電離子的遷移，這種電荷的分離在板之間產生了電場，電容器就帶電了。這兩個板可以維持這對電荷很長一段時間，然后在需要時非常迅速地提供它們。超級電容器就是能夠儲存超大容量電荷的電容器。

電容器能儲存的電量取決于其導電板的總表面積。該團隊開發的新型超級電容器的關鍵在于一種生產水泥基材料的方法，這種材料具有極高的內表面積，這是由于其體積內密集、相互連接的導電材料網絡。

具體而言，研究人員將具有高導電性的炭黑與水泥粉和水一起放入混凝土混合物中，并讓其固化，從而實現了這一目標。當水與水泥發生反應時，水在結構中自然形成一個分支網絡，碳遷移到這些空間中，在硬化的水泥中形成線狀結構。

這些結構具有類似分叉的結構，較大的分支會生出較小的分支，而這些分支會生出更小的分支，以此類推，最終在相對較小的體積范圍內形成一個非常大的表面積。

然后將這種材料浸泡在標準的電解質材料中，比如氯化鉀（一種鹽），它提供了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，由一個薄空間或絕緣層隔開，形成一個非常強大的超級電容器。

研究人員指出，水泥和炭黑是兩種至少有兩千年歷史的材料，“當你以一種特定的方式組合它們時，你就會得到一種導電的納米復合材料，這就是事情變得真正有趣的時候”。而且，所需的碳量非常小，只占混合物體積的3%，就能形成一個滲透的碳網絡。

研究人員說，由這種材料制成的超級電容器在幫助世界向可再生能源過渡方面具有巨大的潛力。無排放能源的主要來源，如風能、太陽能和潮汐能，都是在可變的時間產生它們的輸出，而這些時間往往與電力使用的高峰不一致，因此儲存電力的方法是必不可少的。

“對大型儲能系統的需求非常大，而現有的電池過于昂貴，而且主要依賴于鋰等材料，而鋰的供應有限，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。”他們說。

研究小組計算出，一塊45立方米大小的納米碳黑摻雜混凝土（相當于一個直徑約3.5米的立方體），將有足夠的容量存儲大約10千瓦時的能量，這被認為是一個家庭的平均每日用電量。由于混凝土可以保持其強度，用這種材料做地基的房子可以儲存太陽能電池板或風車產生的一天的能量，并在需要的時候使用。而且，超級電容器的充放電速度比電池快得多。

研究人員還說，這項技術的最初用途可能是在遠離電網的孤立的家庭、建筑物或避難所，這些地方可能由連接在水泥超級電容器上的太陽能電池板供電。

他們說，該系統是非常可擴展的，因為能量存儲容量是電極體積的直接函數。“你可以把1毫米厚的電極變成1米厚的電極，通過這樣做，基本上你可以擴展能量存儲容量，從點亮一個LED幾秒鐘，到為整個房子供電”。

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責任編輯：hnmd003

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