水泥電池，會(huì)是下一場(chǎng)能源革命嗎？

撰文 | 王躍生（凝聚態(tài)物理博士）

電池想必大家都不陌生，但大家聽(tīng)過(guò)“水泥電池”嗎？水泥在我們?nèi)粘Ｉ钪幸话惚划?dāng)做建筑材料，難道我們住的樓房也可以?xún)?chǔ)存電？水泥電池是什么？它和我們平時(shí)用的鋰離子電池有什么區(qū)別？今天咱一起了解一下水泥電池。

水泥電池是2021年，瑞典查爾默斯理工大學(xué)工作的Emma Zhang博士在尋找未來(lái)的建筑材料時(shí)發(fā)明的。他的工作原理是這樣的（畫(huà)面顯示）：

這個(gè)水泥電池概念其實(shí)非常簡(jiǎn)單。

首先，在水泥中添加少量短碳纖維形成具有導(dǎo)電和彎曲韌性的水泥基混合物。然后，在混合物中嵌入一層金屬涂層的碳纖維網(wǎng)做電極——鐵作陽(yáng)極，鎳作陰極。這就是水泥基電池的原型。

根據(jù)報(bào)道，研究人員生產(chǎn)的可充電水泥電池，平均能量密度為每平方米7瓦特時(shí)，相當(dāng)于兩節(jié)五號(hào)堿性電池（堿性電池能量密度3.27 Wh）。與商用鋰離子電池相比，水泥電池的能量密度仍然很低，但由于電池在建筑物中使用時(shí)面積巨大，這一限制可以被克服，也就是可以用面積來(lái)彌補(bǔ)能量密度低的缺點(diǎn)。

2023年美國(guó)麻省理工學(xué)院研究人員進(jìn)一步優(yōu)化了水泥電池，他們的研究已經(jīng)不再需要在混凝土中鋪設(shè)網(wǎng)狀電極，并且性能也比瑞典團(tuán)隊(duì)的裝置更高。研究人員利用水、水泥和碳黑的混合物，加入的炭黑則擔(dān)任了導(dǎo)電線的角色，水泥與水發(fā)生反應(yīng)后這些線狀結(jié)構(gòu)就像是連接兩個(gè)極板的橋梁，使得整個(gè)混合物具有了導(dǎo)電性。以此來(lái)創(chuàng)建一個(gè)超級(jí)電容器的儲(chǔ)能設(shè)備，有望為家庭供電。

前面提到了水泥電池，現(xiàn)在又提到了超級(jí)電容器。其實(shí)水泥電池的基本原理就是電容器。那么什么是電容器，超級(jí)電容器又是如何工作的，它與傳統(tǒng)鋰離子電池有什么區(qū)別？

所謂超級(jí)電容器，是近年來(lái)越來(lái)越流行的一種儲(chǔ)能系統(tǒng)。

就像電池一樣，超級(jí)電容器也具有由電解質(zhì)隔開(kāi)的正極和負(fù)極。超級(jí)電容器工作原理在充電時(shí)正極材料逐漸積累正電荷，負(fù)極材料逐漸積累負(fù)電荷。在電極積累電荷靜電吸引力作用下，正極材料表面將吸附電解液中的負(fù)離子，負(fù)極材料表面將吸附電解液中的正離子。這種儲(chǔ)能方式被稱(chēng)為“雙電層儲(chǔ)能機(jī)制”，類(lèi)似于在兩個(gè)帶電板之間形成的電場(chǎng)。而傳統(tǒng)鋰離子電池工作原理有點(diǎn)像搖椅，充電時(shí)正極電勢(shì)逐漸上升，負(fù)極電勢(shì)逐漸下降，在正負(fù)極之間電勢(shì)差作用下，正極和負(fù)極材料發(fā)生氧化還原反應(yīng)。因?yàn)樗ㄟ^(guò)化學(xué)反應(yīng)來(lái)儲(chǔ)存和釋放能量，所以這種儲(chǔ)能方式被稱(chēng)為“化學(xué)儲(chǔ)能機(jī)制”。

由于超級(jí)電容器的充電和放電是一個(gè)純粹的物理過(guò)程，所以和鋰電池相比，它的充電和放電過(guò)程都非常迅速。除此之外，超級(jí)電容器還有在很小的體積下能存儲(chǔ)很大的電容量；循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，可以反復(fù)充放電數(shù)十萬(wàn)次；超低溫特性好；大電流放電能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

但是，凡事都有利有弊，目前想用超級(jí)電容普遍代替鋰電池還是做不到的，因?yàn)槟壳吧a(chǎn)超級(jí)電容在技術(shù)上還不完全，生產(chǎn)成本高。

另外，其能量密度低，不能在單位體積內(nèi)存儲(chǔ)更多的能量。一般用于需要快速放電和充電的場(chǎng)合，如閃光燈、電子電路中的濾波和耦合等。如果純電動(dòng)車(chē)改用超級(jí)電容，那整車(chē)就得裝載更大體積的超級(jí)電容。

再有一點(diǎn)就是超級(jí)電容器不耐高溫，不能放置在潮濕的環(huán)境中，否則會(huì)影響正常工作，甚至損壞。

超級(jí)電容的充電速度比鋰離子電池的速度快得多，相比鋰離子電池，超級(jí)電容的安全性也更好。超級(jí)電容目前已經(jīng)到了擴(kuò)大應(yīng)用范圍，并進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化的階段。超級(jí)電容器以其優(yōu)異的特性揚(yáng)長(zhǎng)避短，可以部分或全部替代傳統(tǒng)的化學(xué)電池用于車(chē)輛的牽引電源和啟動(dòng)能源，并且具有比傳統(tǒng)的化學(xué)電池更加廣泛的用途。

由于成本極低，基于電容器的水泥基電池有著相當(dāng)廣闊的落地空間。

比如應(yīng)用在房屋建設(shè)中，通過(guò)電纜連接屋頂上的太陽(yáng)能板，使用這種材料制成的地基可以用來(lái)儲(chǔ)存與房屋一天內(nèi)使用量相當(dāng)?shù)奶?yáng)能。房子就會(huì)變身成為一個(gè)巨大的充電寶，隨用隨儲(chǔ)。盡管目前仍處于早期階段，儲(chǔ)存能力可以為一個(gè)10瓦LED燈泡供電30小時(shí)，但對(duì)未來(lái)可擴(kuò)展性和融入建筑環(huán)境的影響是顯著的。麻省理工團(tuán)隊(duì)的研究還發(fā)現(xiàn)，添加的炭黑越多，超級(jí)電容器存儲(chǔ)的能量就越多，不過(guò)混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也會(huì)下降，所以可以針對(duì)所需混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不同，來(lái)添加炭黑的比例造出不同的混凝土“電池”。不僅如此，在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)中，它可以用于風(fēng)力渦輪機(jī)的底座，這種混凝土還可以用來(lái)制造道路，可以在電動(dòng)汽車(chē)經(jīng)過(guò)該路面時(shí)為其提供非接觸式充電。

但是水泥電池也存在一些超級(jí)電容器固有的缺點(diǎn)，例如存電量不足、工作電壓較低等挑戰(zhàn)，只要克服這些困難，“混凝土電池”才會(huì)落地有望。很多人的“家”，也能變成小型發(fā)電站了。說(shuō)實(shí)話，我還挺期待這一天到來(lái)的呢。

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