【产通社，8月7日讯】随着我们继续尝试摆脱化石燃料，研究人员正在寻找新的方法以储存太阳能电池板等绿色能源产生的能量。作为这项工作的一部分，哈佛大学Wyss生物灵感工程研究所和麻省理工学院（MIT）的一组研究人员开发了一种超级电容器，只使用水泥、水和一种叫做炭黑的碳。

可再生能源产生的能量通常需要储存起来以备不时之需。但是电池并不总是最好的选择，它们需要时间充电，而且建造它们需要锂等难以获得的材料，这些材料价格昂贵，而且对环境有害。麻省理工学院土木和环境工程教授Franz-Josef Ulm和他的同事们有兴趣用水泥等容易获得的材料开发超级电容器，不仅填补了电池技术留下的空白，还解决了另一个环境问题：混凝土的碳足迹。他们的工作成果发表在7月31日的《PNAS》杂志上。

新论文的高级作者Ulm说，“水泥和混凝土生产巨大的环境足迹，约占全球二氧化碳排放量的8%。我们可以使用这种储能解决方案来支持从化石燃料到可再生能源的迫切需要的过渡——一砖一瓦、一墙一墙、一条条道路。”

该团队试图通过将水泥用作超级电容器电极的基础来挽回水泥的形象。与使用化学反应储存和释放电能的电池不同，超级电容器通过在两个导电板之间产生电荷差来工作。这种电荷可以维持很长时间，需要时可以快速放电。

为了制造超级电容器，该团队将水泥和水制成的糊状物混合在一起，然后引入少量炭黑，这是一种类似木炭的精细碳形式，数千年来一直被用作颜料和书写材料。例如，公元前3世纪，碳黑被用来书写死海古卷。抛开历史不谈，炭黑也是一种高导电材料。

当水泥混合物固化时，水被吸收并留下一个由炭黑填充的分支隧道网络。最终结果是，水泥浆填充在大表面积的导电线状隧道，而没有扩大电极的总体积。

Ulm说，电极中炭黑的反应是一个至关重要的发现，因为它可以使这种超级电容器的规模变得更简单。

“我们发现，最大的能量储存能力只取决于炭黑的比表面积，”Ulm说。“由于这种炭黑充满了空间——这要归功于化学的魔力！—我们可以简单地增加容量，以创建大规模的大宗能源解决方案。”

该团队通过将两个电极浸泡在电解质溶液中，为系统提供带电粒子，从而完成了超级电容器。试验中，他们制造了能够保持1V电荷的纽扣大小电容器，并确定该电容器能够在10，000次充放电循环后以最小的损失保持其存储容量。三个1V的超级电容器也能给3V的LED充电。

该团队还开发了纽扣大小的电容器，其中水泥与炭黑的比例不同，但他们发现，尽管向混合物中添加更多的炭黑(体积百分比超过10%)可以增加其存储容量，但这是以水泥的结构完整性为代价的。对于Ulm和他的同事们想到的用例，水泥的结构强度是至关重要的。

混凝土已经用于建造道路，该团队认为混凝土道路有机会在汽车行驶时为汽车无线充电，类似于智能手机的无线充电板。“这种自动充电道路已经存在，但使用嵌入道路系统的线圈，并(主要)连接到电网能源。我们系统中的能量将从清洁能源中获取，并储存在路面结构中。”

该团队还计划将这些超级电容器集成到住宅的地基中。他们估计，一个45立方米的超级电容器样本可以储存10千瓦时的能量，相当于美国普通家庭日常用电量的三分之一。


剪报来源：https://spectrum.ieee.org/supercapacitor
编译制作：镨媒体