混凝土已经构建了我们的世界，而现在它又向前迈出了一步，为这个世界提供能源。通过将水泥、水、超细碳黑（具有纳米级颗粒）和电解质相结合，电子导电碳混凝土（ec³，发音为"e-c-cubed"）在混凝土内部创建了导电的"纳米网络"，使墙壁、人行道和桥梁等日常结构能够储存和释放电能。换句话说，我们周围的混凝土有一天可能成为巨大的"电池"。
技术突破：储能容量提升十倍
正如麻省理工学院研究人员在最新《美国国家科学院院刊》(PNAS)论文中报告的那样，优化的电解质和制造工艺将最新ec³超级电容器的储能容量提高了一个数量级。2023年，储存足够能量满足普通家庭日常需求需要约45立方米的ec³，大致相当于典型地下室使用的混凝土量。现在，通过改进的电解质，同样的任务可以用约5立方米ec³完成，相当于典型地下室墙体的体积。
"混凝土可持续性的关键在于开发'多功能混凝土'，它整合了像这样的储能、自愈和碳封存等功能，"新研究的通讯作者、MIT电子导电碳水泥基材料中心(EC³ Hub)联合主任兼土木与环境工程(CCE)副教授Admir Masic问道。"混凝土已经是世界上使用最多的建筑材料，为什么我们不利用这种规模来创造其他好处呢？"
纳米网络：理解材料自组装的关键
改进的能量密度源于对ec³内部纳米碳黑网络如何运作并与电解质相互作用的更深入理解。研究团队使用聚焦离子束对ec³材料进行逐层剥离，然后通过扫描电子显微镜对每层进行高分辨率成像（这种技术称为FIB-SEM断层扫描），从而以前所未有的分辨率重建了导电纳米网络。这种方法使团队能够发现该网络本质上是一个分形状的"网"，环绕着ec³的孔隙，这使电解质能够渗透并使电流在系统中流动。
"理解这些材料如何在纳米尺度上'自组装'是实现这些新功能的关键，"Masic补充道。
电解质创新：从海水到有机溶液
凭借对纳米网络的新理解，团队尝试了不同的电解质及其浓度，观察它们如何影响能量存储密度。正如第一作者兼EC³ Hub研究科学家Damian Stefaniuk所指出的："我们发现有多种电解质可能是ec³的可行候选者。这甚至包括海水，这可能使它成为沿海和海洋应用的理想材料，或许可以作为海上风电场的支撑结构。"
同时，团队简化了将电解质添加到混合物中的方式。他们不再将ec³电极固化后再浸泡在电解质中，而是直接将电解质添加到混合水中。由于电解质渗透不再是限制因素，团队可以浇筑更厚的电极，储存更多能量。
性能飞跃：每立方米储存2千瓦时
团队在转向有机电解质时获得了最佳性能，特别是那些将季铵盐（常见于消毒剂等日常产品）与乙腈（一种工业中常用的透明导电液体）结合使用的电解质。这种版本的ec³一立方米（大约相当于一台冰箱的大小）可以储存超过2千瓦时的能量。这足以驱动一台普通冰箱运行一天。
虽然电池保持更高的能量密度，但ec³原则上可以直接融入各种建筑元素中——从板坯和墙壁到穹顶和拱顶——并且与结构本身一样持久耐用。
灵感来自古罗马：多功能混凝土的潜力
"古罗马人在混凝土建造方面取得了巨大进步。像万神殿这样的巨大结构至今仍屹立不倒且无需加固。如果我们保持他们将材料科学与建筑愿景相结合的精神，我们可能正处于多功能混凝土如ec³引发新建筑革命的边缘，"Masic提议道。
从罗马建筑中汲取灵感，团队建造了一个微型ec³拱门，展示了结构形式和储能如何协同工作。在9伏电压下，拱门支撑自身重量和额外负载，同时为LED灯供电。
然而，当拱门上的负载增加时，发生了一些独特的事情：灯光闪烁。这可能是由于应力影响电接触或电荷分布的方式。"这里可能存在某种自监控能力。如果我们想象一个建筑规模的ec³拱门，当受到强风等应力因素影响时，其输出可能会波动。我们可能能够利用这一点作为结构何时以及受到何种程度应力的信号，或实时监控其整体健康状况，"Masic设想道。
实际应用：从日本自加热面板到未来愿景
ec³技术的最新发展使其更接近实际可扩展性。由于其导热性能，它已被用于日本札幌的加热人行道板，代表了一种替代撒盐的潜在方案。"凭借这些更高的能量密度和更广泛的应用空间所证明的价值，我们现在拥有一个强大而灵活的工具，可以帮助我们解决各种持续的能源挑战，"Stefaniuk解释道。"我们最大的动机之一是帮助促进能源转型。例如，太阳能发电在效率方面已经取得了长足进步。然而，它只能在有足够阳光时才能发电。那么问题就变成了：你如何在夜间或阴天满足能源需求？"
EC³ Hub联合主任兼CEE教授Franz-Josef Ulm继续说道："答案是你需要一种储存和释放能量的方式。这通常意味着电池，而电池往往依赖于稀缺或有害的材料。我们相信ec³是一个可行的替代品，让我们的建筑物和基础设施满足我们的储能需求。"该团队正在努力开发可以充电电动汽车的停车场和道路，以及可以完全离网运行的家庭等应用。
"最令我们兴奋的是，我们采用了一种像混凝土一样古老的材料，并展示了它可以做一些全新的事情，"论文合著者、康奈尔大学设计技术与材料科学和工程副教授兼前EC³ Hub研究员James Weaver说。"通过将现代纳米科学与文明的古老建筑材料相结合，我们正在打开一扇大门，通向不仅支持我们的生活，还能为其提供动力的基础设施。"
技术前景与挑战
ec³技术的发展为能源存储领域带来了全新的可能性，特别是在建筑和基础设施领域。与传统的电池技术相比，ec³具有几个显著优势：
- 长寿命：ec³可以与建筑结构一样持久，避免了传统电池需要定期更换的问题。
- 多功能性：除了储能外，ec³还具有导热性，可用于融雪除冰，同时还能作为结构材料使用。
- 环境友好：使用碳黑作为导电材料，可以减少对稀有矿产资源的依赖。
- 可扩展性：可以直接浇筑成各种形状和尺寸，适应不同的建筑需求。
然而，这项技术也面临一些挑战需要克服：
- 能量密度：虽然ec³的能量密度已经大幅提升，但与传统电池相比仍然较低。
- 成本效益：目前的生产成本可能高于普通混凝土，需要进一步优化。
- 系统集成：如何将ec³与现有的电网和能源管理系统无缝集成仍需研究。
- 标准化：需要建立行业标准和测试方法，确保ec³材料的一致性和可靠性。
未来发展方向
随着技术的不断成熟，ec³超级电容器有望在以下几个领域取得突破性进展：
- 智能城市基础设施：将ec³应用于道路、人行道和公共设施，创造能够收集、储存和分配能源的智能基础设施网络。
- 可再生能源整合：为太阳能和风能等间歇性可再生能源提供分布式储能解决方案，提高电网稳定性。
- 电动汽车充电基础设施：开发ec³充电道路和停车场，实现电动汽车的无线充电和动态供电。
- 灾难恢复系统：在自然灾害后提供应急能源供应，增强社区韧性。
- 碳中和建筑：结合碳封存技术，创建能够吸收大气中二氧化碳的负碳建筑。
结论
ec³超级电容器技术的代表了一种材料科学的革命性突破，它将人类最古老的建筑材料之一转变为现代能源解决方案的关键组成部分。通过将纳米技术与传统混凝土相结合，研究人员不仅提高了材料的储能能力，还为其赋予了结构健康监测等额外功能。
这项技术的潜在影响远远超出了建筑行业，它可能彻底改变我们生产和消费能源的方式，为可持续发展和碳中和目标提供新的实现路径。随着研究的深入和技术的成熟，我们有望看到ec³在未来的城市景观中发挥越来越重要的作用，创造一个既支撑我们的生活又为其提供动力的基础设施网络。
