麻省理工學院的研究人員發現，當把水泥和炭黑與水混合在一起時，得到的混凝土會自我組裝成一個儲能超級電容器，可以輸出足夠的電能為家庭供電或為電動汽車快速充電。7月31日，相關成果已發表于美國《國家科學院院刊》。

早在2021 年，查爾姆斯理工大學（Chalmers University of Technology）的一個團隊就展示了如何將有用的電能儲存在澆筑在碳纖維網電極周圍的混凝土中，并通過混合碳纖維來增加導電性。

麻省理工學院的發現似乎更上一層樓，因為它不再需要在混凝土中鋪設網狀電極，而是讓碳黑在固化過程中形成自己的連接電極結構。

這種工藝利用了水和水泥的共同反應方式；當混凝土開始硬化時，水在混凝土中形成了一個分支網狀通道，而炭黑會自然地遷移到這些通道中。這些通道呈現出分形結構，大的分支分裂成越來越小的分支——這就形成了表面積極大的碳電極，貫穿整個混凝土。

這些分支中的兩個分支被絕緣層或薄薄的空間隔開，一旦整體浸泡在氯化鉀等標準電解液中，就能很好地用作超級電容器的極板。當然，超級電容器幾乎可以立即充電和放電，因此功率密度和輸出通常比標準鋰電池高得多。

能量密度較低，而且需要在體積存儲能量的多少和混凝土的強度之間做出權衡，因為添加更多的炭黑既能提高能量存儲，又能削弱最終混凝土的強度。

但最重要的是，這種儲能裝置并不需要太小；混凝土往往會被大量使用。美國一棟 2000 平方英尺（185.8 平方米）的普通住宅建在相當標準的 5 英寸厚（13 厘米）的混凝土板上，大約需要 31 立方碼（約 24 立方米）的混凝土。如果有車道或混凝土車庫，用量還會更多，如果房屋使用混凝土墻或混凝土柱，用量還會大大增加。

麻省理工學院的研究小組稱，一塊 1589 立方英尺（約 45 立方米）的摻有納米碳黑的混凝土可儲存約 10 千瓦時的電量——足以滿足美國普通家庭三分之一的用電量，或者與一個適當大小的太陽能屋頂陣列配合使用，將電網的能源賬單降至接近零。更重要的是，它幾乎不會增加任何成本。

該團隊已經對這些混凝土超級電容器進行了小規模測試，切割出一對電極，制造出與紐扣電池大小相當的1伏特微型超級電容器，并用其中的三個點亮3伏特的LED燈。現在，它正在研究汽車電池大小的電池塊，目標是制造出 1589 立方英尺、10 千瓦時的超級電容器，以進行更大規模的演示。

在小規模實驗室測試中，麻省理工學院團隊切割出一對對電極圓盤，用這些超級電容器為一個 3 伏的發光二極管（LED）供電。

麻省理工學院教授弗朗茨-約瑟夫-烏爾姆（Franz-Josef Ulm）是昨天發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上的一項新研究的共同作者。

烏爾姆在一份新聞稿中說："你可以從 1 毫米厚的電極擴展到 1 米厚的電極，通過這樣做，你基本上可以將儲能能力從點亮 LED 幾秒鐘擴展到為整棟房子供電。"

除了住宅之外，混凝土也無處不在，從建筑物到地面覆蓋物，再到道路網絡。該團隊表示，這種儲能混凝土可以與路邊的太陽能電池板和感應充電線圈搭配使用，利用超級電容器按需泵送大量電能的能力，創建超快速的車行式無線電動汽車充電道路。

此外，大型電網儲能設施的地基可能會使用大量混凝土，這就產生了一種有趣的可能性，即巨型混凝土超級電容器可能與移動速度較慢的化學電池搭配使用，使其既能快速向電網輸送電力，又能以較低的功率提供較長時間的電力。