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一个导电的'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'。
能量存储容量的革命性突破
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使最新ec³超级电容器的能量存储容量提高了一个数量级。2023年，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，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一任务只需约5立方米混凝土，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开发'多功能混凝土'，它整合了像这种能量存储、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创造其他好处呢？'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、土木与环境工程副教授Admir Masic问道。
纳米网络的关键发现
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。研究人员采用聚焦离子束对ec³材料进行逐层剥离，然后使用扫描电子显微镜对每个切片进行高分辨率成像（这种技术称为FIB-SEM断层扫描），EC³中心和MIT混凝土可持续性中心的团队能够以迄今为止最高的分辨率重建导电纳米网络。这种方法使团队能够发现该网络本质上是一个分形'网状结构'，围绕着ec³孔隙，这使电解质能够渗透并使电流流经整个系统。
'理解这些材料如何在纳米尺度上'组装'自己是实现这些新功能的关键，'Masic补充道。
电解质创新与工艺改进
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、EC³ Hub研究科学家Damian Stefaniuk所指出的：'我们发现ec³有广泛范围的电解质可用作候选材料。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，团队简化了向混合物中添加电解质的方式。他们不再让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，从而存储更多能量。
团队在转向有机电解质时取得了最佳性能，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（一种常用工业中的透明导电液体）的电解质。这种版本的ec³一立方米（约相当于冰箱大小）可存储超过2千瓦时的能量。这足以驱动一台实际冰箱运行一天。
罗马建筑的灵感与现代应用
虽然电池具有更高的能量密度，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。像万神殿这样的巨型结构至今仍屹立不倒且无需加固。如果我们保持他们结合材料科学与建筑愿景的精神，我们可能正处于多功能混凝土如ec³带来的新建筑革命的前沿，'Masic提出。
受罗马建筑启发，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。这可能是由于应力影响电气接触或电荷分布的方式。'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，'Masic设想。
可再生能源转型的助力
ec³技术的最新发展使其更接近实际规模应用。由于其导热性能，它已被用于日本札幌的人行道板加热，可能成为撒盐除冰的替代方案。'凭借这些更高的能量密度和更广泛的应用空间 demonstrated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推动可再生能源转型。例如，太阳能的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：如何在夜间或阴天满足您的能源需求？'
EC³ Hub联合主任、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，而电池往往依赖稀缺或有害材料。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。'团队正在努力开发如停车场和道路等可以充电电动汽车的应用，以及可以完全离网运行的家庭。
'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与材料科学和工程副教授、前EC³ Hub研究员James Weaver说。'通过将现代纳米科学与文明古代建筑块相结合，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。'
未来展望
ec³技术的发展为建筑能源存储开辟了新的可能性。随着能源密度的不断提高和应用的不断扩展，这种多功能混凝土有望在未来的城市规划和能源基础设施中发挥关键作用。研究人员正在继续优化材料性能，探索更多应用场景，并努力将这项技术从实验室推向市场。
这项创新不仅解决了能源存储的挑战，还为可持续建筑提供了新思路。通过将能源存储功能直接整合到建筑材料中，我们能够减少对传统电池的依赖，降低能源系统的整体碳足迹，同时提高建筑物的多功能性和可持续性。
