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新發(fā)現(xiàn)!混凝土也可以儲能了?

發(fā)布時間:2023-09-12閱讀次數(shù):來源:國建聯(lián)信認(rèn)證中心

麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn),當(dāng)把水泥和炭黑與水混合在一起時,得到的混凝土?xí)晕医M裝成一個儲能超級電容器,可以輸出足夠的電能為家庭供電或?yàn)殡妱悠嚳焖俪潆姟?月31日,相關(guān)成果已發(fā)表于美國《國家科學(xué)院院刊》。

早在2021 年,查爾姆斯理工大學(xué)(Chalmers University of Technology)的一個團(tuán)隊(duì)就展示了如何將有用的電能儲存在澆筑在碳纖維網(wǎng)電極周圍的混凝土中,并通過混合碳纖維來增加導(dǎo)電性。

麻省理工學(xué)院的發(fā)現(xiàn)似乎更上一層樓,因?yàn)樗辉傩枰诨炷林袖佋O(shè)網(wǎng)狀電極,而是讓碳黑在固化過程中形成自己的連接電極結(jié)構(gòu)。

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這種工藝?yán)昧怂退嗟墓餐磻?yīng)方式;當(dāng)混凝土開始硬化時,水在混凝土中形成了一個分支網(wǎng)狀通道,而炭黑會自然地遷移到這些通道中。這些通道呈現(xiàn)出分形結(jié)構(gòu),大的分支分裂成越來越小的分支——這就形成了表面積極大的碳電極,貫穿整個混凝土。

這些分支中的兩個分支被絕緣層或薄薄的空間隔開,一旦整體浸泡在氯化鉀等標(biāo)準(zhǔn)電解液中,就能很好地用作超級電容器的極板。當(dāng)然,超級電容器幾乎可以立即充電和放電,因此功率密度和輸出通常比標(biāo)準(zhǔn)鋰電池高得多。

能量密度較低,而且需要在體積存儲能量的多少和混凝土的強(qiáng)度之間做出權(quán)衡,因?yàn)樘砑痈嗟奶亢诩饶芴岣吣芰看鎯?,又能削弱最終混凝土的強(qiáng)度。

但最重要的是,這種儲能裝置并不需要太小;混凝土往往會被大量使用。美國一棟 2000 平方英尺(185.8 平方米)的普通住宅建在相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的 5 英寸厚(13 厘米)的混凝土板上,大約需要 31 立方碼(約 24 立方米)的混凝土。如果有車道或混凝土車庫,用量還會更多,如果房屋使用混凝土墻或混凝土柱,用量還會大大增加。

麻省理工學(xué)院的研究小組稱,一塊 1589 立方英尺(約 45 立方米)的摻有納米碳黑的混凝土可儲存約 10 千瓦時的電量——足以滿足美國普通家庭三分之一的用電量,或者與一個適當(dāng)大小的太陽能屋頂陣列配合使用,將電網(wǎng)的能源賬單降至接近零。更重要的是,它幾乎不會增加任何成本。

該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)對這些混凝土超級電容器進(jìn)行了小規(guī)模測試,切割出一對電極,制造出與紐扣電池大小相當(dāng)?shù)?伏特微型超級電容器,并用其中的三個點(diǎn)亮3伏特的LED燈?,F(xiàn)在,它正在研究汽車電池大小的電池塊,目標(biāo)是制造出 1589 立方英尺、10 千瓦時的超級電容器,以進(jìn)行更大規(guī)模的演示。

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在小規(guī)模實(shí)驗(yàn)室測試中,麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)切割出一對對電極圓盤,用這些超級電容器為一個 3 伏的發(fā)光二極管(LED)供電。

麻省理工學(xué)院教授弗朗茨-約瑟夫-烏爾姆(Franz-Josef Ulm)是昨天發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》(PNAS)上的一項(xiàng)新研究的共同作者。

烏爾姆在一份新聞稿中說:"你可以從 1 毫米厚的電極擴(kuò)展到 1 米厚的電極,通過這樣做,你基本上可以將儲能能力從點(diǎn)亮 LED 幾秒鐘擴(kuò)展到為整棟房子供電。"

除了住宅之外,混凝土也無處不在,從建筑物到地面覆蓋物,再到道路網(wǎng)絡(luò)。該團(tuán)隊(duì)表示,這種儲能混凝土可以與路邊的太陽能電池板和感應(yīng)充電線圈搭配使用,利用超級電容器按需泵送大量電能的能力,創(chuàng)建超快速的車行式無線電動汽車充電道路。

此外,大型電網(wǎng)儲能設(shè)施的地基可能會使用大量混凝土,這就產(chǎn)生了一種有趣的可能性,即巨型混凝土超級電容器可能與移動速度較慢的化學(xué)電池搭配使用,使其既能快速向電網(wǎng)輸送電力,又能以較低的功率提供較長時間的電力。

另一方面,目前還不清楚這種混凝土是否適合在潮濕的室外使用。此外,還不清楚這些混凝土超級電容器是否可以在現(xiàn)場澆筑,在原地自行組裝。也不清楚每對電極是否需要密封,也不清楚在哪里以及如何將這些混凝土塊連接起來為房屋供電,更不清楚接觸這樣的混凝土超級電容器是否安全。