混凝土已经构建了我们的世界，而现在它又向前迈进了一步——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"，使日常建筑结构如墙壁、人行道和桥梁能够存储和释放电能。换句话说，我们周围的混凝土有一天可能成为巨大的"电池"。
能量存储密度的革命性突破
正如MIT研究人员在最新《PNAS》论文中报告的那样，优化的电解质和制造工艺已将最新ec³超级电容器的能量存储容量提高了一个数量级。2023年，存储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'，它整合了这种能量存储、自愈和碳封存等功能。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来创造其他好处呢？"新研究的主要作者、MIT电子导电碳水泥基材料中心（EC³ Hub）联合主任兼土木与环境工程（CEE）副教授Admir Masic问道。
纳米网络的深入理解
改进的能量密度来自于对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材料进行分层剥离，然后使用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类似分形的"网状结构"，它围绕ec³孔隙，这使得电解质能够渗透并使电流流过整个系统。
"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。
电解质优化的创新
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，以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所强调的："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电极固化然后浸泡在电解质中，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，团队可以铸造更厚的电极，从而存储更多能量。
当团队转向有机电解质，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（一种通常用于工业的透明导电液体）的电解质时，团队实现了最佳性能。这种版本的ec³一立方米——大约相当于一台冰箱的大小——可以存储超过2千瓦时的能量。这足以为一台真正的冰箱供电一天。
多功能建筑的无限可能
虽然电池保持更高的能量密度，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结构本身一样长。
"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然屹立不倒，无需加固。如果我们保持他们结合材料科学与建筑愿景的精神，我们可能正站在多功能混凝土如ec³引发的新建筑革命的边缘，"Masic提议道。
从罗马建筑中汲取灵感
受罗马建筑的启发，团队建造了一个微型ec³拱门，展示了结构形式和能量存储如何协同工作。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，发生了一些独特的事情：灯光闪烁。这可能是由于应力对电接触或电荷分布的影响。"这里可能存在某种自监控能力。如果我们想象一个建筑规模的ec³拱门，当它受到强风等应力因素影响时，其输出可能会波动。我们可以利用这一点作为信号，指示结构和何时以及何种程度受到应力，或实时监控其整体健康状况，"Masic设想道。
现实世界应用的扩展
ec³技术的最新发展使其更接近现实世界的可扩展性。由于其热导性，它已被用于日本札幌的人行道板加热，可能成为除盐的替代方案。"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久的能源挑战，"Stefaniuk解释道。"我们最大的动机之一是帮助实现可再生能源转型。例如，太阳能在效率方面已经取得了长足进步。然而，它只有在有足够阳光时才能发电。那么问题来了：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："答案是您需要一种存储和释放能量的方式。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，让我们的建筑和基础设施满足我们的能源存储需求。"团队正在开发可以给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。
古代材料的现代革命
"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，并证明它可以做一些全新的东西，"论文合著者、康奈尔大学设计技术和材料科学与工程副教授兼前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块相结合，我们正在打开一扇大门，让基础设施不仅支持我们的生活，还为它们提供动力。"
技术前景与挑战
ec³技术的未来发展面临几个关键方向。首先，研究团队正在探索进一步提高能量密度的可能性，目标是使混凝土储能系统更加紧凑高效。其次，他们正在开发更耐用的电解质配方，以延长系统的使用寿命并适应各种环境条件，包括极端温度和湿度。
另一个重要研究方向是规模化生产。虽然实验室原型已显示出巨大潜力，但如何将这种技术从实验室规模扩展到实际建筑应用仍需解决。这包括开发标准化的施工方法、确保产品质量一致性，以及降低制造成本。
环境与经济效益
ec³技术的环境效益是多方面的。首先，它可以将原本被视为能源消耗者的建筑转变为能源生产者和存储者，从而减少对传统电网的依赖。其次，通过利用混凝土这一全球最广泛使用的建筑材料，ec³技术不需要额外的土地资源或材料开采，最大限度地减少了对环境的影响。
从经济角度看，ec³技术可能显著降低能源存储成本。传统电池系统往往需要专门的存储设施和复杂的安装过程，而ec³可以直接整合到建筑结构中，减少了额外的基础设施需求。此外，混凝土建筑通常使用寿命长达数十年，这意味着ec³系统可以提供长期、稳定的能源存储解决方案。
城市能源系统的变革
ec³技术有潜力彻底改变城市能源系统。想象一下，未来的城市建筑不仅能够满足自身的能源需求，还能将多余的能量回馈给电网。人行道、公园长椅、公共设施等城市基础设施都可以成为分布式能源节点，共同构成一个智能、高效的能源网络。
特别是在可再生能源领域，ec³技术可以解决太阳能和风能等间歇性能源的存储问题。白天，太阳能板产生的多余能量可以存储在建筑结构的ec³系统中，在夜间或能源需求高峰时释放。这种分布式存储模式可以提高电网的稳定性和可靠性，减少对化石燃料发电的依赖。
多功能应用的无限可能
除了能量存储，ec³技术还展现出其他多功能应用的潜力。例如，研究团队已经观察到，当ec³结构受到压力时，其电输出会发生变化，这为实时结构健康监测提供了可能。未来的建筑可能不仅能够存储能量，还能自我监测结构完整性，提前预警潜在问题。
此外，ec³的热导性使其在寒冷气候地区具有除冰应用的潜力。日本札幌已经测试了使用ec³加热的人行道板，减少了冬季除盐的需求，从而保护了环境和基础设施。
全球能源转型的关键
在全球向清洁能源转型的背景下，ec³技术提供了一种独特而强大的解决方案。与许多依赖稀有或有害材料的传统电池技术不同，ec³使用地球上最丰富的材料之一——混凝土，结合相对常见的碳基材料，创造了一种可持续、可扩展的能源存储方案。
"我们面临的能源挑战是巨大而复杂的，"Stefaniuk指出，"我们需要各种创新解决方案，没有一种技术能解决所有问题。ec³代表了一种有前景的方法，它利用我们现有的基础设施，同时提供新的功能。"
随着技术的不断成熟和应用的扩展，ec³有潜力成为未来城市和社区能源系统的核心组成部分，帮助我们构建一个更可持续、更高效、更有韧性的能源未来。
