新式“超级电容器”混凝土会保持原有强度，因此用这种材料建造地基的房屋能储存由太阳能板或风力发电产生的、一天所需的能量，并允许在需要时随时使用
一种用炭黑和水泥制造的新式超级电容器具备成本低和效率高的特点，能在建筑物的混凝土地基中储存一天所需的能量，或者在电动车驶过路面时向它们提供非接触式充电。根据研发出这项技术的麻省理工学院（MIT）和哈佛大学维斯研究所的研究者所述，这种装置也能使太阳能、风能和潮汐能等可再生能源的使用变得便利。
学术上，超级电容器被称为双电层电容器或电化学电容器，性能处于蓄电池和传统介质电容器之间。超级电容器尽管在储存电荷方面弱于蓄电池，但是优于传统电容器，这得益于超级电容器的多孔电极，它们拥有高达数平方千米的表面积。当施加电压后，这些装置的电解质-电极界面形成双层结构，进一步提升能储存的电荷量。
相比于蓄电池，超级电容器也拥有一些优势。蓄电池需要数小时来充电和放电，而超级电容器能在几分钟内完成充电和放电。它们也有长得多的寿命，能坚持数百万次充放电循环，而不是数千次。超级电容器也不像电池那样通过化学反应来工作，而是以聚集在电极表面的带电离子的形式储存能量。
极高的内部表面积
由弗朗茨-约瑟夫 · 乌尔姆（Franz-Josef Ulm）、阿德米尔 · 马西克（Admir Masic）和邵阳（Yang-Shao Horn）带领的团队研发出的这种新装置含有一种拥有极高内部表面积的水泥基材料。研究者从一种含有炭黑（类似于十分细的木炭）的干水泥混合物开始制备，再往这种混合物中加入水和强塑剂（这是一种混凝土生产中的标准减水掺和物）。随着水与水泥发生反应，自然地在结构中形成一种分岔的孔隙网络，碳迁移进入这些孔隙，形成有着分形样结构的丝状构造。正是这种致密、互连的网络结构给材料提供了极大的表面积。
“我们将新制备的材料填入塑料管，让它们硬化至少28天。”乌尔姆解释说，“我们接着把样品切割为电极尺寸的厚片，将这些电极浸入标准的电解液（氯化钾），用两个被一层绝缘膜隔开的电极构造出一个超级电容器。”
研究者接下来将一个电极连接正电荷，另一个电极连接负电荷，借此将电极极化。在充电时，来自电解液的阳离子聚集在带负电的碳丝上，而阴离子聚集在带正电的碳丝上。
一天的能量
由于绝缘膜隔在中间，带电离子无法在两个电极之间迁移。这种不均衡产生电场，从而给超级电容器充电。“立体碳线填满了可用的空间，我们用拉曼光谱证实了这一点。这个事实允许我们能在炭黑的极大表面上储存许多能量。”乌尔姆说，“我们随后将能源与超级电容器断开后，储存的能量可以释放出来，从而能为各种应用提供电力。”
根据他们的计算，一块体积为45立方米的材料块（相当一个边长为3.55米长的立方体）能够储存大约10千瓦时的能量。这大约等同于一户普通人家的日均用电量。因而，在含有这种碳-混凝土复合材料的地基上建造的房屋能储存一天所需的能量（譬如，由太阳能板生成的能量），在需要时再释放能量。这种材料也可以结合进间歇性发电机（譬如风力发电机），这样就能在地基储存能量，在间歇期释放能量。
超级电容器的另一个潜在应用——这是一个高端应用——是把它添加到混凝土道路中。这些超级公路将能够储存能量（或许由公路两旁的太阳能板生成），再通过电磁感应把能量传递给驰骋而过的电动汽车。这项技术基本上与手机无线充电技术相同，研究者说，它也可以用来给停下的电动汽车充电，譬如在一处停车场上。
研究人员补充道，更近期的应用也许是在远离电网的建筑物中使用附加超级电容器的太阳能板给房屋供电。
高可扩展系统
乌尔姆说，这个系统的可扩展性十分强，因为储能容量随着电极体积成比例地增加。他解释说：“你可以从1毫米厚的电极扩大到1米厚的电极，通过这么做，你基本上就能将储能容量从让一盏LED灯亮几秒钟放大到能为一整座房子供能。”根据某个特定应用所需的性质，可以通过调整材料来调节系统。对于一条给车辆充电的道路，会需要十分快的充电和放电速率。给一座房子供能的话，可以有一整天来给它充电，所以可以使用充电速率稍慢的材料。
乌尔姆告诉《物理世界》杂志：“这种构成材料十分容易获得的事实，为重新思考储能解决方案开辟了一条新路线。混凝土是地球上仅次于水的消耗量最高的材料，但它带来一个无法忽视的环境成本，因为全球每年生产40亿吨的混凝土，约占全球二氧化碳排放量的8%。因此，我们的整体重心是要让混凝土成为一种多功能材料，能提供额外的有用的社会功能。
今时今日，假如我们要控制气候变化的影响，能量储存至关重要。此前的研究已经显示，水泥-碳混合物能被用来制备一种导电水泥。然而，这种导电性要储存能量还不够。“我们假设疏水性炭黑存在的情况下，对亲水性水泥进行水化，自然会提供另外两个所需的标准：储存孔隙率和传输孔隙率。”乌尔姆说。
研究人员目前的工作重点是制造一种超级电容器，它可以存储与12 V电池相同的电量。“我们认为，这种装置是构建更先进装置的基础。”乌尔姆说。
资料来源 Physics World
_________________
本文作者伊莎贝尔·迪梅（Isabelle Dumé）是《物理世界》杂志特约编辑。她拥有先进材料学硕士学位和磁学博士学位，且拥有十多年的科学写作及编辑经验。在空余时间，她会帮助组织科学咖啡馆活动