用水泥和炭黑打造未来的储能系统
水泥 机密报 2023-12-15
麻省理工学院的工程师利用人类最普遍的两种历史材料，水泥和炭黑（类似于非常细的木炭），开发了一种新型、低成本的储能系统。该系统可以作为超级电容器，提供电能的存储和释放，从而促进太阳能、风能和潮汐能等可再生能源的使用，使能源网络在可再生能源供应波动的情况下保持稳定。这项简单而创新的技术本周在PNAS杂志上发表。
电容器是一种非常简单的器件，由浸入电解质中并由膜隔开的两块导电板组成。当在电容器上施加电压时，电解液中的带正电的离子会积聚在带负电的板上，而带正电的板上会积聚带负电的离子。由于极板之间的膜阻止带电离子迁移，这种电荷分离在极板之间产生电场，电容器带电。两块板可以长时间保持这对电荷，然后在需要时非常快速地输送它们。超级电容器只是可以存储异常大电荷的电容器。
电容器可以存储的功率取决于其导电板的总表面积。因此，要提高电容器的性能，就需要增加导电板的表面积或减小极板之间的距离。然而，这两种方法都有其局限性，因为导电板的大小和形状受到物理限制，而极板之间的距离过小会导致电弧或短路。
为了克服这些限制，麻省理工学院的研究团队采用了一种新颖的方法，利用水泥和炭黑这两种廉价且广泛可用的材料，制造出具有极高内表面积的水泥基材料，该材料是由于在其体积内具有密集、互连的导电材料网络。研究人员通过将高导电性炭黑与水泥粉和水一起引入混凝土混合物中，并使其固化来实现这一目标。当水与水泥发生反应时，水自然会在结构内形成一个分支的开口网络，碳迁移到这些空间中，在硬化的水泥内形成金属丝状结构。这些结构具有类似分形的结构，较大的分支会长出较小的树枝，而那些长出更小的树枝会长出更小的树枝，依此类推，最终在相对较小的体积范围内具有非常大的表面积。然后将材料浸泡在标准电解质材料中，例如氯化钾，一种盐，它提供积聚在碳结构上的带电粒子。研究人员发现，由这种材料制成的两个电极，由薄空间或绝缘层隔开，形成一个非常强大的超级电容器。
电容器的两块极板的功能就像等效电压的可充电电池的两极一样：当连接到电源时，就像电池一样，能量存储在极板中，然后当连接到负载时，电流流回以提供电力。
“这种材料很吸引人，”麻省理工学院土木与环境工程系的Admir Masic教授说，“因为你拥有世界上使用最多的人造材料，水泥，它与炭黑结合在一起，这是一种众所周知的历史材料——死海古卷就是用它写成的。你拥有这些至少有两千年历史的材料，当你以特定的方式将它们组合在一起时，你就会想出一种导电纳米复合材料，这就是事情变得非常有趣的时候。”
他说，随着混合物的凝固和固化，“水通过水泥水化反应被系统地消耗掉，这种水化从根本上影响了碳的纳米颗粒，因为它们是疏水的（排斥水）。随着混合物的演变，“炭黑会自组装成一根相连的导线，”他说。该过程易于复制，材料价格低廉，在世界任何地方都很容易获得。Masic说，实现渗流碳网络所需的碳量非常小 - 仅占混合物体积的3%。
麻省理工学院土木与环境工程系的Franz-Josef Ulm教授说，由这种材料制成的超级电容器具有巨大的潜力，可以帮助世界向可再生能源过渡。无排放能源、风能、太阳能和潮汐能的主要来源都在可变时间产生输出，而这些时间通常与用电高峰不对应，因此储存电力的方法至关重要。“对大型储能有巨大的需求，”他说，现有的电池太贵了，而且主要依赖锂等材料，锂的供应有限，因此迫切需要更便宜的替代品。“这就是我们的技术非常有前途的地方，因为水泥无处不在，”乌尔姆说。
该团队计算出，一块尺寸为45立方米（或码）的纳米碳黑掺杂混凝土 - 相当于一个约3.5米宽的立方体 - 将有足够的容量来存储约10千瓦时的能量，这被认为是一个家庭的平均每日用电量。由于混凝土将保持其强度，因此由这种材料制成的地基的房屋可以存储太阳能电池板或风车产生的一天的能量，并在需要时使用。而且，超级电容器的充电和放电速度比电池快得多。
在进行了一系列用于确定水泥、炭黑和水最有效比例的测试后，该团队通过制造小型超级电容器来演示这一过程，这些超级电容器的大小与一些纽扣电池差不多，直径约1厘米，厚度约1毫米，每个超级电容器可以充电到1伏特，相相当于1伏特电池。然后，他们连接了其中三个，以展示它们点亮 3 伏发光二极管 （LED） 的能力。在证明了这一原理之后，他们现在计划建造一系列更大的版本，从大约一个典型的12伏汽车电池大小的版本开始，然后增加到45立方米的版本，以证明其存储房屋价值的能力。
他们发现，材料的存储容量与其结构强度之间存在权衡。通过添加更多的炭黑，产生的超级电容器可以储存更多的能量，但混凝土略弱，这对于混凝土不起结构作用或不需要混凝土的全部强度潜力的应用可能很有用。他们发现，对于地基或风力涡轮机底座的结构元件等应用，“最佳点”是混合物中约10%的炭黑。
碳水泥超级电容器的另一个潜在应用是用于建造混凝土道路，该道路可以储存太阳能电池板产生的能量，然后使用与无线充电手机相同的技术将能量输送到沿道路行驶的电动汽车。德国和荷兰的公司已经在开发一种相关类型的汽车充电系统，但使用标准电池进行存储。
研究人员说，该技术的最初用途可能是用于远离电网的孤立房屋或建筑物或避难所，这些房屋或避难所可以由连接到水泥超级电容器的太阳能电池板供电。
乌尔姆说，该系统具有很强的可扩展性，因为储能容量是电极体积的直接函数。“你可以从1毫米厚的电极变成1米厚的电极，通过这样做，基本上你可以将储能容量从点亮LED几秒钟，扩展到为整个房子供电，”他说。根据给定应用所需的特性，可以通过调整混合物来调整系统。乌尔姆说，对于车辆充电道路，需要非常快的充电和放电速率，而对于家庭供电，“你有一整天的时间来充电”，因此可以使用较慢的充电材料。“所以，它确实是一种多功能材料，”他补充道。除了能够以超级电容器的形式储存能量外，通过简单地将电力施加到碳纤维混凝土上，相同种类的混凝土混合物还可以用作加热系统。乌尔姆认为这是“作为能源转型的一部分，展望混凝土未来的一种新方式”。
该研究团队还包括麻省理工学院土木与环境工程系的博士后Nicolas Chanut和Damian Stefaniuk，Wyss研究所的James Weaver以及麻省理工学院机械工程系的Yunguang Zhu。这项工作得到了麻省理工学院混凝土可持续发展中心的支持，并得到了混凝土进步基金会的赞助。
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