混凝土作为世界上最常用的建筑材料，已经构建了我们的世界。如今，麻省理工学院(MIT)的研究人员开发出一种革命性技术，使混凝土不仅能支撑建筑，还能储存和释放电能，让日常建筑结构如墙壁、人行道和桥梁成为巨大的"电池"。
能源储存能力实现质的飞跃
在最新发表于《美国国家科学院院刊》(PNAS)的研究中，MIT报告称，通过优化电解质和生产工艺，最新ec³超级电容器的能源储存容量提升了十倍。这一突破性进展意味着，储存足够满足普通家庭一天用电所需的ec³混凝土体积从2023年的约45立方米（相当于典型地下室使用的混凝土量）减少至现在的约5立方米（相当于一面典型地下室墙的体积）。
"混凝土可持续性的关键在于发展'多功能混凝土'，这种材料整合了能源储存、自愈和碳封存等功能，"该研究的主要作者、MIT电子导电碳水泥基材料中心(EC³ Hub)联合主任、土木与环境工程副教授Admir Masic解释道。"混凝土已经是世界上使用最广泛的建筑材料，我们为何不利用这一规模优势创造其他价值呢？"
揭示纳米级导电网络奥秘
ec³由水泥、水、超细碳黑（具有纳米级颗粒）和电解质混合而成，在混凝土内部形成导电的"纳米网络"。研究团队通过聚焦离子束(FIB)对ec³材料进行逐层剥离，再使用扫描电子显微镜(SEM)对每一层进行高分辨率成像（这种技术称为FIB-SEM断层扫描），成功重建了迄今为止最高分辨率的导电纳米网络。
研究团队发现，这个网络本质上是一个类似分形的"网状结构"，围绕ec³孔隙分布，这使电解质能够渗透并使电流在整个系统中流动。
"理解这些材料如何在纳米尺度上'自我组装'是实现这些新功能的关键，"Masic补充道。
电解质创新与制造工艺优化
基于对纳米网络的新理解，研究团队尝试了不同的电解质及其浓度，观察它们如何影响能源储存密度。EC³ Hub研究科学家、论文第一作者Damian Stefaniuk指出："我们发现有多种电解质可能是ec³的可行候选材料，甚至包括海水，这使ec³成为沿海和海洋应用的理想材料，或许可作为海上风电场的支撑结构。"
同时，研究团队简化了将电解质添加到混合物中的方法。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，从而储存更多能量。
当团队转向有机电解质，特别是将季铵盐（常见于日常消毒产品）与乙腈（一种无色、导电液体，常用于工业）结合使用时，实现了最佳性能。这种ec³版本每立方米（约一台冰箱大小）可储存超过2千瓦时的能量，足以驱动一台实际冰箱运行一天。
结构与功能的完美结合
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——从板和墙到圆顶和拱顶——并且使用寿命与建筑结构本身一样长。
研究团队从罗马建筑中汲取灵感，建造了一个微型ec³拱门，展示结构形式和能源储存如何协同工作。在9伏电压下，该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，出现了一个独特现象：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，"Masic设想道，"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何时以及受到何种程度应力的信号，或实时监测其整体健康状况。"
实际应用与未来展望
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，成为撒盐除冰的潜在替代方案。
"随着这些更高的能源密度和在更广泛应用空间中展示的价值，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可再生能源转型。例如，太阳能发电在效率方面已经取得了长足进步。然而，只有在有足够阳光时才能发电。那么问题就变成了：如何在夜晚或多云天气满足能源需求？"
EC³ Hub联合主任、土木与环境工程教授Franz-Josef Ulm继续说道："答案是您需要一种储存和释放能源的方式。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是一种可行的替代方案，让我们的建筑和基础设施满足我们的能源储存需求。"
研究团队正在开发多种应用场景，如可为电动汽车充电的停车位和道路，以及完全离网运行的家庭。
"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，并证明它可以做全新的事情，"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、前EC³ Hub研究员James Weaver表示，"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。"
这项研究代表了建筑材料科学的重大突破，为未来的可持续能源系统开辟了全新可能性，使我们的建筑不再仅仅是能源的消耗者，还可以成为能源的储存者和管理者。
