水泥和炭黑是世界上最常用的人造材料，在人類文明史中，這些材料至少已經存在了2000年。一項新發表於《美國國家科學院院刊》雜誌上的研究表明，當以一種特定的方式將它們與水結合時，就可以得到一種導電的奈米複合材料。再將這種材料製成超級電容器，就可以得到一種新型的、低成本的儲存電能的系統，成為電池的一種替代品。
超級電容器
電容器是類非常簡單的裝置，由浸沒在電解液中的兩片由絕緣層隔開的導電的電極板組成。當對電容器施加電壓時，電解液中帶正電的離子會積聚在帶負電的電極板上，而帶正電的電極板上則會積聚帶負電的離子。
電極板之間的絕緣層阻止了這些帶電離子的遷移，在電極板間產生了電場，電容器就被「充電」了。電極板之間的電荷可以維持很長一段時間，並在需要時以非常快的速度釋放它們。
超級電容器就是能夠儲存超大容量電荷的電容器。而決定了電容器所能儲存的電量的，是電極板的總表面積。新研究所開發的這種新型的超級電容器，就是用一種擁有著極高的內表面積的材料製成的。
這種材料是通過將具有高導電性的炭黑與水泥粉和水一起加入混凝土混合物中，再任其固化而得到的。其超高的表面積源自於其中的密集且相互連接的導電材料網路。當水與水泥發生反應時，會在結構中自然形成一個分支網路，碳會遷移到這些網路中，在已經變硬的水泥中形成線狀結構。這些結構具有類似分形的結構，較大的分支會生出較小的分支，而這些分支會繼續生出更小的分支，週而復始，最終在相對較小的體積範圍內，就形成一個非常大的表面積。
將這樣的材料製成兩個由一個薄薄的絕緣層隔開的電極板，並浸沒在標準的電解液中，就可以形成一個非常強大的超級電容器。當把這個超級電容器連接到電源時，它就能像電池一樣將能量儲存在電極板上；當連接到負載上時，電流就流出來提供電力。
巨大的應用前景
由這種材料製成的超級電容器，或許在幫助世界向可再生能源過渡方面具有巨大的潛力。
研究人員計算出，一塊大小為45立方米（相當於直徑約3.5米的立方體）的奈米碳黑摻雜混凝土，擁有足夠的容量儲存大約10千瓦時的能量，這相當於一個家庭一天所使用的平均電量。用這種材料做地基的房子可以儲存由太陽能電池板或風車所產生的一天的電量，並且能在需要的時候使用。而且，超級電容器的充電和放電速度比電池要快得多。
在進行了一系列測試來確定水泥、炭黑和水的最佳比例之後，研究人員製作出了一批小型的超級電容器。它們的大小與紐扣電池差不多，直徑約1釐米，厚度約1毫米，能充電到大約1伏，相當於1伏的電池。然後，他們將三個這樣的超級電容器連接起來，點亮了一個3伏的發光二極體，證實了這種新型的超級電容器，可以成為電池的一種可行替代。
現在，研究人員計劃製造一系列更大的超級電容器，從大小與經典的12伏汽車電池相當的版本開始，逐步發展到能儲存一所房子所需電力的45立方米大小的版本。
研究人員指出，這種材料在儲存容量和結構強度之間存在一種權衡。通過添加更多的炭黑，可以得到能儲存更多能量的超級電容器，但與此同時會削弱混凝土的硬度，這對於不需要混凝土發揮結構作用的應用或許仍是可行的。他們還發現，對於基礎或風力渦輪機基座的結構元件等應用，最佳的配比是在混合物中加入10%的炭黑。
超級電容器的另一個潛在應用是建造混凝土道路，這些道路可以儲存沿路安置的太陽能電池板所產生的能量，然後通過使用與無線充電手機相同的技術，將這些能量輸送給沿路行駛的電動汽車。
混凝土的未來
這項新的研究用一種簡單而創新的方法，使用成本低廉、儲量豐富、廣泛可用的水泥、炭黑、水，創造出了一種非常有潛力的儲能技術。從目前以化石燃料為基礎的經濟，向以可再生能源為基礎的經濟過渡的程度和速度，在很大程度上取決於能源儲存的解決方案的可行性。研究人員認為，新的研究成果讓我們對未來的混凝土有了新的期待，它們將有望成為能源轉型的一部分。
#創作團隊：
撰文：小雨
排版：雯雯
#參考來源：
https://news.mit.edu/2023/mit-engineers-create-supercapacitor-ancient-materials-0731
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2304318120
#圖片來源：
封面圖 & 首圖：Chanut et al. via MIT News
