混凝土已经构建了我们的世界，而现在它又向前迈出一步——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，麻省理工学院的研究人员创造出了电子导电碳混凝土（ec³，发音为"e-c-cubed"），这种材料在混凝土内部形成导电的"纳米网络"，使日常建筑结构如墙壁、人行道和桥梁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变成巨大的"电池"。
能源密度实现数量级提升
正如MIT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超级电容器的能源存储能力提高了10倍。2023年，储存足够能量以满足普通家庭日常需求大约需要45立方米的ec³，这大致相当于典型地下室使用的混凝土量。而现在，改进后的电解质使同样的任务仅需约5立方米混凝土，相当于一面典型地下室墙壁的体积。
"混凝土可持续性的关键在于开发'多功能混凝土'，它整合了能源储存、自愈和碳封存等功能，"新研究的作者、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副教授Admir Masic表示，"混凝土已经是世界上使用最多的建筑材料，为什么不利用这种规模创造其他效益呢？"
纳米网络结构解析带来突破
改进的能源密度源于对ec³内部纳米碳黑网络如何运作并与电解质相互作用更深入的理解。研究人员采用聚焦离子束对ec³材料进行分层剥离，然后使用扫描电子显微镜对每一层进行高分辨率成像（这种技术称为FIB-SEM断层扫描），使团队能够以前所未有的分辨率重建导电纳米网络。这种方法使团队能够发现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。
电解质优化与制造工艺创新
equipped with their new understanding of the nanonetwork, the team experimented with different electrolytes and their concentrations to see how they impacted energy storage density. "我们发现有多种电解质可以作为ec³的可行候选材料，"第一作者兼EC³ Hub研究科学家Damian Stefaniuk指出，"这甚至包括海水，这可能使这种材料适用于沿海和海洋应用，或许可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法。他们不再在ec³电极固化后将其浸泡在电解质中，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，团队可以浇铸更厚的电极，储存更多能量。
团队在使用有机电解质时获得了最佳性能，特别是那些结合了季铵盐（常见于消毒剂等日常产品）和乙腈（一种工业中常用的透明导电液体）的电解质。这种版本的ec³一立方米（约一台冰箱大小）可储存超过2千瓦时的能量，这足以为一台实际冰箱提供一天的电力。
结构与能源存储的完美结合
虽然电池具有更高的能源密度，但ec³原则上可以直接整合到各种建筑元素中——从楼板和墙壁到穹顶和拱顶——并且使用寿命与建筑本身一样长。
"古罗马人在混凝土建设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。如果我们保持将材料科学与建筑愿景相结合的精神，我们可能正处于以ec³等多功能混凝土引领新建筑革命的边缘，"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，展示了结构形式与能源存储如何协同工作。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，出现了一些独特现象：灯光闪烁。这可能是由于应力对电接触或电荷分布的影响。"这里可能存在一种自我监测能力。如果我们考虑建筑规模的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和何时以及受何种程度应力的信号，或实时监测其整体健康状况，"Masic设想道。
实际应用与能源转型前景
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人行道板加热，作为撒盐的潜在替代方案。"凭借这些更高的能源密度和更广泛的应用空间 demonstrated value，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推动可再生能源转型。例如，太阳能在效率方面已经取得了长足进步。然而，只有在有足够阳光时才能发电。那么问题就变成了：如何在夜间或阴天满足您的能源需求？"
EC³ Hub联合主任兼CEE教授Franz-Josef Ulm继续说道："答案是您需要一种储存和释放能量的方法。这通常意味着电池，而电池往往依赖于稀缺或有害材料。我们相信ec³是一个可行的替代品，让我们的建筑和基础设施满足我们的能源储存需求。"团队正在开发能够为电动汽车充电的停车场和道路，以及可以完全离网运行的住宅等应用。
"最让我们兴奋的是，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表示，"通过将现代纳米科学与文明古老的建筑块相结合，我们正在打开一扇通往基础设施的大门，这些基础设施不仅支持我们的生活，还为它们提供动力。"
技术优势与未来展望
ec³超级电容器相比传统电池具有多项独特优势：
- 长寿命：ec³可以与建筑结构一样持久，而传统电池通常需要定期更换。
- 多功能性：同一材料同时提供结构支撑和能源储存功能。
- 可持续性：使用丰富的原材料，减少对稀有资源的依赖。
- 可扩展性：可以轻松整合到各种建筑规模和形式中。
- 环境适应性：甚至可以使用海水作为电解质，适用于沿海和海洋环境。
随着技术的不断成熟，ec³有潜力彻底改变我们设计、建造和使用建筑的方式。想象一下，未来的建筑不仅是我们生活和工作的场所，还是能源的储存和分配中心。道路可以为电动汽车无线充电，墙壁可以储存太阳能，桥梁可以监控自身健康状况——所有这些都通过我们最常见、最古老的建筑材料实现。
这种创新技术不仅为建筑行业带来革命性变化，还为全球能源转型提供了全新解决方案。随着可再生能源在能源结构中的比例不断提高，能源存储变得越来越重要。ec³提供了一种将能源存储直接整合到基础设施中的方法，创造了一个更加高效、可持续的能源生态系统。
挑战与未来研究方向
尽管ec³技术前景广阔，但仍面临一些挑战需要克服：
- 成本优化：降低纳米碳黑和有机电解质的成本，使技术更具经济可行性。
- 规模化生产：开发能够大规模生产ec³的工艺，同时保持其性能特性。
- 长期性能评估：在真实环境条件下测试ec³的长期性能和耐久性。
- 系统集成：开发将ec³与现有能源管理系统集成的标准和协议。
- 安全标准：建立ec³建筑系统的安全标准和测试方法。
未来的研究将集中在解决这些挑战上，进一步优化ec³的性能，并探索新的应用领域。随着技术的进步，ec³有望从实验室走向现实世界，最终成为我们建筑环境的标准组成部分。
结论
MIT开发的碳-水泥超级电容器技术代表了建筑材料和能源存储领域的一次重大突破。通过将古老的混凝土与现代纳米技术相结合，研究人员创造了一种能够同时提供结构支撑和能源储存功能的多功能材料。这种创新不仅为建筑行业带来了新的可能性，还为全球能源转型提供了可持续的解决方案。
随着ec³技术的不断发展和完善，我们可能会看到建筑环境的根本性转变。未来的建筑将不再是被动的结构，而是主动的能源系统，能够收集、储存和分配能源，同时监测自身健康状况。这种转变不仅将提高建筑的可持续性和效率，还将创造全新的设计和功能可能性。
正如古罗马人通过创新混凝土改变了建筑世界一样，我们可能正处于由ec³等技术引领的新建筑时代的开端。一个建筑不仅支撑我们的生活，还为我们的生活提供动力的未来——这不再是科幻小说，而是正在成为现实的创新。
