水泥和炭黑是世界上最常用的人造材料，在人类文明史中，这些材料至少已经存在了2000年。一项新发表于《美国国家科学院院刊》杂志上的研究表明，当以一种特定的方式将它们与水结合时，就可以得到一种导电的纳米复合材料。再将这种材料制成超级电容器，就可以得到一种新型的、低成本的储存电能的系统，成为电池的一种替代品。

超级电容器

电容器是类非常简单的装置，由浸没在电解液中的两片由绝缘层隔开的导电的电极板组成。当对电容器施加电压时，电解液中带正电的离子会积聚在带负电的电极板上，而带正电的电极板上则会积聚带负电的离子。

电极板之间的绝缘层阻止了这些带电离子的迁移，在电极板间产生了电场，电容器就被“充电”了。电极板之间的电荷可以维持很长一段时间，并在需要时以非常快的速度释放它们。

超级电容器就是能够储存超大容量电荷的电容器。而决定了电容器所能储存的电量的，是电极板的总表面积。新研究所开发的这种新型的超级电容器，就是用一种拥有着极高的内表面积的材料制成的。

这种材料是通过将具有高导电性的炭黑与水泥粉和水一起加入混凝土混合物中，再任其固化而得到的。其超高的表面积源自于其中的密集且相互连接的导电材料网络。当水与水泥发生反应时，会在结构中自然形成一个分支网络，碳会迁移到这些网络中，在已经变硬的水泥中形成线状结构。这些结构具有类似分形的结构，较大的分支会生出较小的分支，而这些分支会继续生出更小的分支，周而复始，最终在相对较小的体积范围内，就形成一个非常大的表面积。

将这样的材料制成两个由一个薄薄的绝缘层隔开的电极板，并浸没在标准的电解液中，就可以形成一个非常强大的超级电容器。当把这个超级电容器连接到电源时，它就能像电池一样将能量储存在电极板上；当连接到负载上时，电流就流出来提供电力。

巨大的应用前景

由这种材料制成的超级电容器，或许在帮助世界向可再生能源过渡方面具有巨大的潜力。

研究人员计算出，一块大小为45立方米（相当于直径约3.5米的立方体）的纳米碳黑掺杂混凝土，拥有足够的容量存储大约10千瓦时的能量，这相当于一个家庭一天所使用的平均电量。用这种材料做地基的房子可以储存由太阳能电池板或风车所产生的一天的电量，并且能在需要的时候使用。而且，超级电容器的充电和放电速度比电池要快得多。

在进行了一系列测试来确定水泥、炭黑和水的最佳比例之后，研究人员制作出了一批小型的超级电容器。它们的大小与纽扣电池差不多，直径约1厘米，厚度约1毫米，能充电到大约1伏，相当于1伏的电池。然后，他们将三个这样的超级电容器连接起来，点亮了一个3伏的发光二极管，证实了这种新型的超级电容器，可以成为电池的一种可行替代。

现在，研究人员计划制造一系列更大的超级电容器，从大小与经典的12伏汽车电池相当的版本开始，逐步发展到能储存一所房子所需电力的45立方米大小的版本。

研究人员指出，这种材料在存储容量和结构强度之间存在一种权衡。通过添加更多的炭黑，可以得到能储存更多能量的超级电容器，但与此同时会削弱混凝土的硬度，这对于不需要混凝土发挥结构作用的应用或许仍是可行的。他们还发现，对于基础或风力涡轮机基座的结构元件等应用，最佳的配比是在混合物中加入10%的炭黑。

超级电容器的另一个潜在应用是建造混凝土道路，这些道路可以储存沿路安置的太阳能电池板所产生的能量，然后通过使用与无线充电手机相同的技术，将这些能量输送给沿路行驶的电动汽车。

混凝土的未来

这项新的研究用一种简单而创新的方法，使用成本低廉、储量丰富、广泛可用的水泥、炭黑、水，创造出了一种非常有潜力的储能技术。从目前以化石燃料为基础的经济，向以可再生能源为基础的经济过渡的程度和速度，在很大程度上取决于能源存储的解决方案的可行性。研究人员认为，新的研究成果让我们对未来的混凝土有了新的期待，它们将有望成为能源转型的一部分。

参考来源：

https://news.mit.edu/2023/mit-engineers-create-supercapacitor-ancient-materials-0731

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2304318120

封面图 & 首图：Chanut et al. via MIT News