全球炼金时代开启？MIT研发「炭水泥」超级电容器，让房屋、道路成为无限电池

新智元报道

编辑：Lumina

【新智元导读】美国麻省理工提出一种用炭、水泥和水合成的新材料，获将开启全新的能源储存领域。

也许这次我们真的站在了人类历史的奇点上。

最近，来自麻省理工的炭水泥超级电容器又闪亮登场了！

MIT News、Science纷纷报道了这一研究。

据公开的论文，可以发现这个超级电容器的制作十分简单！

论文地址：

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

仅仅用了我们生活中最最普遍的材料：

水、水泥，以及炭黑（类似于非常细的木炭）。

制备过程就是把水和水泥混合后，再往其中掺入一些相对浓度较低的炭黑。

等待它们凝固以后，你就获得了一个储能高，而且几乎不损耗的导电纳米级复合材料！

在胶带手撕石墨烯、炉子炼超导以后，这一次我们需要的也许仅仅只是一台搅拌机。

炭水泥超级电容器拥有高储存容量、高倍率充/放电能力，能够储存如风能、太阳能、潮汐能等可再生能源。

同时制备材料易得、工艺流程简单，使其能够在人类世界中大规模地生产。

另一方面，炭水泥超级电容器具有优异的结构强度，能够融入建筑用的混凝土中，泛用性极强。

这个看上去简单到让人不敢相信的炭水泥超级电容器，将有望成为新型低成本储能系统的基础。

含炭水泥超级电容器地基的房屋可以存储太阳能电池板或风车产生的一天的能量，并可以随时取用。

原理解读

- 电容器和电池的区别：

电容器的工作原理是在两个电导板之间积聚电荷，通过电场来储存电能。

当电压施加在电容器上时，正电荷和负电荷分别在两个电导板上积聚，形成电场，从而使电容器充电。

电容器储能和放电的过程不涉及化学反应，因此循环寿命很长，但因为电容器的能量密度较低，放电速度过快等，限制了电容器的应用场景。

而电池是化学能转化为电能的装置。它通过在化学反应中将化学能转化为电子的形式来储存电能。其寿命有限，在能量转化的过程中会有损耗。

- 炭水泥超级电容器的工作原理

超级电容器能够存储异常多电荷的电容器。

而炭水泥超级电容器通过利用疏水性炭黑存在下亲水性水泥水合之间的协同作用，自然地结合了三种属性：

1）用于给电极充电的电子导电网络；

2）用于吸附相反电荷表面层的高比表面积的储存孔隙；

3）用于通过饱和电解质进行离子扩散从或到表面层的储备孔隙。

研究人员指出，在炭水泥超级电容器中，水化反应促成了促成了碳黑颗粒的解聚和形成电子导电网络，从而使超级电容器具有高倍率能力。

进而炭泥水超级电容器成为了住宅和工业应用大容量储能的理想选择。

- 炭水泥材料结构分析：

研究人员首先对碳颗粒渗透网络的结构进行定量评估。

为了深入了解炭水泥材料的结构，研究人员通过EDS-拉曼技术来区分不同的碳相。

这些观察结果表明，在微米级的纹理模式下，电解液中的电荷可以传递到亚纳米级的碳颗粒中的储存孔隙。

同时，碳相中独特的纹理特性提供了强有力的证据：即无论混合比例和碳黑类型如何，碳黑颗粒都会形成一个特征模板。

低密度和高密度碳网络的纹理特定表面积是碳水泥复合材料固有的特性。

研究者指出，要完全解释这种固有纹理的起源，可能需要更先进的研究方法。

而一个可能的解释是，在高pH环境下的水泥水化过程中，碳黑颗粒会被钙离子和水的消耗解聚。

- 炭水泥材料电容测量

研究人员设置了不同的条件制备电极，比较它们性能的差异。

当水泥-水（W/C）的配比高时，电极具有较大的水化孔隙，这使得电极在高扫描速率下表现出无关速率的电容性能，并且能在最短时间内实现最大的能量储存。

但随着电极厚度的增加，电极的速率能力减弱，需要更长的充电时间才能实现电极材料的完全储能潜力。

此外，在标准化电容的指标下，可以确定炭水泥材料在结构电极方面的潜力，特别是一些需要高速率能量储存能力和承受机械载荷的应用。

具体来说，高W/C比例的电极具有高倍率能力，但同时会降低材料的内聚强度。

这是因为水化孔隙的增加导致了围绕微米级孔隙的应力集中，从而降低了高W/C材料的强度性能。

因此，在结构电极的应用中，存在着对能量存储性能和强度性能的权衡取舍。

- 炭水泥材料储能容量的扩展

从实验得出的比例关系中，可以看出：容积电容的强度特性以及碳网络的独特纹理对实现能量储存容量的大规模扩展至结构尺度具有十分重要的影响。

也证实了多孔炭水泥复合材料的特性以及其在能量储存方面的可扩展性。

总的来说，炭水泥复合材料作为一种可扩展的能量储存解决方案，将推动未来能源将从化石燃料向可再生能源的转变。

除此之外，炭水泥超级电容器可以与混凝土结合，应用于包括能量自给自足的避难所、为电动车辆自充电的道路、风力涡轮机和潮汐发电站的间歇性能量储存等。

想象一下，未来的我们将生活在一个再也不需要各种充电线和接口的世界中，我们无时无刻被电力包围着。

这或许是人类发现电力一百多年以来，真正的进入电力社会的契机。

材料和方法

首先，制备炭水泥糊剂（由波特兰水泥和纳米碳黑干混合而成）。

其次，加入水和高性能减水剂。在水化过程中密封后，电极样本被切割并准备进行相关的 EDS-拉曼和相关性分析。

然后用电解液（1M KCl）浸泡电极样本，准备进行电容测量和分析。

最后进行量纲分析，得出比例关系。

参考资料：

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

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