水泥都能發電了?房子變成“充電寶”

想象一下，你家的墻壁不僅能遮風擋雨，還能默默儲存太陽能，在夜晚為冰箱等家電供電；更重要的是，哪怕是戰爭發生，也不會出現電廠被炸導致全城電力癱瘓的問題。這么一個混凝土的華麗變身已經有雛形了。

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從建材到“儲能體”

最近，一支來自麻省理工學院的科研團隊開發出了一款“超級電池”，最重要的是，他們只用水、水泥以及一種高導電材料，就讓混凝土也就是水泥，這種最基礎的建筑材料，在承重之外額外獲得了儲存電能的全新功能。

這個水泥基“電池”，學名被稱為“電子導電碳混凝土（ec3）”，其關鍵就在于微觀結構的精妙設計。不過要事先聲明，把它稱為電池并不準確，它其實是“電容器”。

所謂電容器更像是物理概念上的倉庫，它能在兩個電導板之間積聚電荷，通過電場來儲存電能。

當電壓施加在電容器上時，正電荷和負電荷分別在兩個電導板上積聚，形成電場，從而使電容器充電，這就像海綿吸水一樣直接吸附電荷，隨存隨取。簡單來說，電容器是功率型元件，負責瞬間的爆發力。

電池尤其是常見的鋰離子電池，其實更多的是電化學反應，需要通過復雜的化學反應來儲存和釋放能量，因此充放電都需要時間。

這也決定了它是一位持久而穩定的伙伴：因為放電電壓非常平穩 ，所以在電量耗盡前，都能提供一個相對穩定的電壓。這確保了你的手機、電車不會因為電量降到70%就突然關機，也讓智能手機、筆記本電腦和電動汽車的長久續航成為可能。

反過來，這些其實都對應著電容器的缺點。電容器儲能和放電的過程不涉及化學反應，因此循環壽命很長，但因為電容器的能量密度較低，放電速度過快等，限制了電容器的應用場景。

現在我們再來講講混凝土是怎么變成一個電容器的。

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性能飛躍

電壓與納米結構的秘密

這款“水泥電容器”核心配方很簡單，就是在水泥里加入了納米炭黑（NCB)這一低成本且導電的納米填料，這些導電的炭粒會自己在水泥中組成一張像高速路網一樣導電的網絡，整個混凝土塊也就自然變成了體積巨大的“超級電容器”。

說起來簡單，但從原理到足以使用并沒有那么容易。其實該研究團隊兩年前就提出過這一概念，不過當時用一個地下室那么大、足足45立方米的改造水泥，存下來的電也只夠一戶吹一天的空調而已；今年他們將導電碳混凝土的儲能能力提高了10倍，如今，一面墻也就是5立方米的ec3，就可以儲存超過10千瓦時（10度）的電量，勉強夠一個普通家庭使用一天。

研究團隊的一切努力其實都基于一個最基本的公式：E=1/2C乘以V2，這是電容器儲存能量的公式，其中E代表儲存的能量，C代表電容器的電容，而V代表電容器兩端的電壓。研究團隊將寶押在了電壓上。

水泥的蛻變之路

他們的第一個突破，就是把水泥中摻入的電解液，從只能承受1伏特左右的水性溶液，換成了能承受接近3伏特的有機電解液。根據上面的公式，能量與電壓的平方成正比，所以這么一更換能量密度直接飆升了十倍，一立方的ec3能直接儲存兩度電，能讓一臺冰箱運行一整天。

這么高的電壓水泥能不能撐住呢？這就要說到他們的第二個突破了。

團隊通過聚焦離子束掃描電子顯微鏡（FIB-SEM），首次重建了水泥ec3的內部導電結構的3D地圖，在納米尺度上實現了可視化。他們發現，納米炭黑在水泥中的分布特別像蜘蛛網，緊密包覆在空隙之間。

前面提到過，當水泥有水化反應，也就是跟水混合時，納米炭黑顆粒會自發形成細密的導電網絡，如同混凝土內部的“神經網絡”，這一個突破就是讓研究人員能更好地理解材料在納米尺度上的“自組裝”機制——這可是電解液能滲入、電流能流動的關鍵所在，從而也提升了該材料的理論儲能容量。

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能儲電，還會“喊疼”的智能建筑

通過優化電解質配方和工藝，研究團隊將能量密度帶到了新的高度，這種高能量密度的碳水泥正在從實驗室走向實際應用。

此前該技術剛剛誕生沒多久，就已經在日本札幌得到應用，其導電發熱特性被用于融化人行道積雪。

最近，為了驗證其工程可行性，團隊建造了一座小型EC3拱門原型。它不僅成功承載自身重量，還能為LED燈持續供電。更巧妙的是，當拱門受壓時，LED燈光會出現閃爍，這一現象揭示了結構應力與電信號輸出之間的實時關聯，即壓力也會改變導電路徑。

這也為未來建筑健康的自監測提供了全新思路——墻體或橋梁或許能通過自身電流的變化，直接“報告”自己的結構健康狀況，比如自己哪里裂了、哪里遭受重壓。

未來建筑會因水泥的身份變化而更智能化

要想走出實驗室的一個大問題就是怎么量產。最開始實驗室是將這些水泥塊泡到電解液里慢慢滲透，這樣當然不能適應工業使用?，F在他們改變思路提出“鑄入電解質”的方法，這個制程是直接把電解液攪拌到水泥中，無需等待水泥固化后操作，省工還能制造出更穩定的水泥電極。

未來，水泥這一平平無奇的建筑材料，將會升級為主動型能源基礎設施，我們可以利用房屋的墻體、地基儲存太陽能，或讓道路為電動汽車進行無線充電，這豈不是生活在一個分布式巨型“電池”里？

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編輯｜張毅

主編｜黎坤

總編輯｜吳新

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壹零社：用圖文、視頻記錄科技互聯網新鮮事、電商生活、云計算、ICT領域、消費電子，商業故事?！吨袊W》每周全文收錄；中國科技報刊100強；2021年微博百萬粉絲俱樂部成員；2022年抖音優質科技內容創作者