“板砖”变身充电宝？混凝土超级电容器将房子变成电池

环球零碳

碳中和领域的《新青年》

来源：MIT

撰文|Penn

编辑 | 小澜

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在我们的日常认识中，水泥、混凝土这种随处可见的建筑材料本身都不是导体，自然也不具备导电性能。

不过，为了应对风电、光伏等可再生能源所带来的间歇性和不稳定性问题，近年来科学家门开始致力于研究混凝土的储能性能。

想象一下，在不久的将来，建筑物的应急照明、火灾报警器、传感器和其他设备可能不再由燃油发电机或笨重的电池组供电，而是由建筑物本身的材料供电。这将并非只是科幻小说里出现的场景，而是即将到来的现实。

早在2023年，麻省理工学院（MIT）的研究人员就找到了一种将水泥、水和炭黑结合在一起的方法，制造出一种用于储能的“超级电容器” ，为新型储能开辟了新道路。

然而，可规模化制造结构化的水泥基储能器件仍然面临挑战。电极与隔膜界面处较差的机械性能，以及由于厚度方向长路径导致的离子传输效率低下，都是亟待解决的问题。

针对这一挑战，哈尔滨工业大学和中国科学院的科学家团队开发出了一种可3D打印的水泥基超级电容器，它能够在不牺牲结构完整性的前提下储存能量。相关成果已于近日在国际学术期刊《ACS Nano》上发表。

这种超级电容器强度高、效率高。如果能够规模化生产，它有望重新定义城市建筑，将建筑物变成巨型储能系统。未来，自储能水泥制成的墙板可使建筑大幅降低对外部电网的依赖，变身“绿色能量体”。

“如果建筑材料不仅能支撑结构，还能储存能量、感知周围环境，甚至与人互动，那么建筑物就不仅仅是被动的避难所了，”该研究的通讯作者、哈尔滨工业大学教授钟静说，“它们可以成为真正的智能环境。”

图说：用于结构储能的整体式3D打印水泥基超级电容器

来源：ACS Nano

电池和超级电容器究竟有什么区别？电池利用化学反应储存能量，而超级电容器则利用静电作用储存能量。

实际上，电池的能量密度远高于超级电容器，而且储能时间也更长，但超级电容器 无需依赖缓慢的化学反应即可快速存储和释放能量，并且能够承受数百万次的充放电循环。

将这些装置嵌入基础楼板或楼梯井中，可以让建筑物存储白天的太阳能峰值，并根据需要立即释放。这种方法可将承重混凝土转化为主动储能装置，从而减少了对外部电池组的需求。

考虑到以往的水泥基储能装置存在界面机械强度差、离子通过厚度方向传输速度慢等问题。研究团队采用直接墨水书写技术，利用水泥基隔膜和可印刷的水泥基纳米碳电极油墨，制备了整体式叉指水泥基超级电容器。

具体来看，研究团队首先将碳纳米管、炭黑和水泥混合制成一种高导电性的可打印油墨。然后，利用3D打印机，将这种混合物以紧密的指状 互锁图案沉积在混凝土板上。随着水泥的水化作用，基质中形成了充满水的微小孔隙，为带电离子在电极间高速移动创造了通道且电阻极小，从而使带电离子能够在打印的电极之间轻松移动。

这种整体式结构将水泥基电极无缝嵌入水泥砂浆隔膜中，消除了界面分层的风险。更重要的是，叉指结构将贯穿厚度方向的长离子路径缩短为相邻电极之间的平面路径，同时增大了活性电极与电解质的接触面积。

图说：水泥基超级电容器概念图

来源：ACS Nano

如果建筑物因材料强度问题倒塌，这种创新就毫无意义。幸运的是，严格的测试证明，这种储能板的抗压强度与日常建筑中使用的商用混凝土相当。

为了展示其实际应用潜力，研究人员将三个打印器件连接在同一块板上，瞬间点亮了一组LED灯。短期内，这项技术可以在停电期间为应急照明、安全传感器供电或维持建筑健康监测网络的运行，而所有这些都无需外部布线。

根据这项研究，这种混凝土 超级电容器 可提供强大的电能输出，能量密度高达22.52 μWh cm⁻² 。 在1.0V的工作电压范围内，其功率输出为0.49 mW cm⁻²。

同时，该技术可承受 23.00MPa 的抗压强度，符合建筑结构混凝土的强度标准。这些结果证实，建筑材料可以兼作高效的电源单元，且不会牺牲其承载重物的能力。

这项技术并非没有挑战。虽然水泥超级电容器在适度的加热和冷却条件下运行良好，但当温度骤降至零下18摄氏度时，其性能就会下降。

寒冷天气会阻碍水合孔隙内的离子运动，从而限制功率输出。在实现商业化应用之前，如何增强材料在严寒冬季的耐久性仍然是该团队面临的主要难题。

图说：研究人员使用打印器件点亮一组LED灯

来源：ACS Nano

美国MIT此前用水泥、炭黑和水做出混凝土超级电容器，证明原理可行。自2023年以来，他们将导电碳混凝土的储能能力提高了10倍。2025年底，5立方米的这种材料可以储存超过10千瓦时的电量——大致足够一个普通家庭使用一天。

而哈工大这次把“可3D打印”和“结构完整性”捆在一起，指向工程化。这不是单点材料突破，而是水泥、碳材料、电化学、3D打印、电力电子的交叉。

中国水泥产量长期占全球一半以上，建筑存量和新增量世界第一，建筑能耗占总能耗近一半，碳排放量超过全国总量的五成。双碳目标下，未来建筑既要减碳，又有机会参与新型电力系统。

中国光伏、风电、特高压、电动车、锂电已全球领先，电网缺的正是更多灵活资源。水泥基储能若成熟，能把最普通的建材变成分布式储能资源，减少对锂钴镍的依赖。

未来，一座楼可能就是一个分布式储能节点，成千上万座楼聚合就是虚拟电厂。从实验室走向实际应用场景，这项技术将会重塑多个领域的能源格局。

参考资料：

[1]https://newatlas.com/energy/cement-based-supercapacitor/

[2]https://interestingengineering.com/innovation/cement-based-supercapacitor-that-stores-energy

[3]https://pubs.acs.org/ancac3/article-abstract/20/34/24078/5259554/Monolithic-3D-Printed-Interdigitated-Cement-Based

[4]https://www.csee.org.cn/front/content/35768

[5]https://libattery.ofweek.com/2024-06/ART-36000-8470-30637535.html

[6]https://mp.weixin.qq.com/s/HIgIkalyua6WNpPU-1StIA

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