也許這次我們真的站在了人類歷史的奇點(diǎn)上。

最近，來自麻省理工的炭水泥超級(jí)電容器又閃亮登場(chǎng)了！

MIT News、Science紛紛報(bào)道了這一研究。

(資料圖片)

據(jù)公開的論文，可以發(fā)現(xiàn)這個(gè)超級(jí)電容器的制作十分簡(jiǎn)單！

論文地址：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2304318120

僅僅用了我們生活中最最普遍的材料：

水、水泥，以及炭黑（類似于非常細(xì)的木炭）。

制備過程就是把水和水泥混合后，再往其中摻入一些相對(duì)濃度較低的炭黑。

等待它們凝固以后，你就獲得了一個(gè)儲(chǔ)能高，而且?guī)缀醪粨p耗的導(dǎo)電納米級(jí)復(fù)合材料！

在膠帶手撕石墨烯、爐子煉超導(dǎo)以后，這一次我們需要的也許僅僅只是一臺(tái)攪拌機(jī)。

炭水泥超級(jí)電容器擁有高儲(chǔ)存容量、高倍率充/放電能力，能夠儲(chǔ)存如風(fēng)能、太陽能、潮汐能等可再生能源。

同時(shí)制備材料易得、工藝流程簡(jiǎn)單，使其能夠在人類世界中大規(guī)模地生產(chǎn)。

另一方面，炭水泥超級(jí)電容器具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，能夠融入建筑用的混凝土中，泛用性極強(qiáng)。

這個(gè)看上去簡(jiǎn)單到讓人不敢相信的炭水泥超級(jí)電容器，將有望成為新型低成本儲(chǔ)能系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

含炭水泥超級(jí)電容器地基的房屋可以存儲(chǔ)太陽能電池板或風(fēng)車產(chǎn)生的一天的能量，并可以隨時(shí)取用。

- 電容器和電池的區(qū)別：

電容器的工作原理是在兩個(gè)電導(dǎo)板之間積聚電荷，通過電場(chǎng)來儲(chǔ)存電能。

當(dāng)電壓施加在電容器上時(shí)，正電荷和負(fù)電荷分別在兩個(gè)電導(dǎo)板上積聚，形成電場(chǎng)，從而使電容器充電。

電容器儲(chǔ)能和放電的過程不涉及化學(xué)反應(yīng)，因此循環(huán)壽命很長(zhǎng)，但因?yàn)殡娙萜鞯哪芰棵芏容^低，放電速度過快等，限制了電容器的應(yīng)用場(chǎng)景。

而電池是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。它通過在化學(xué)反應(yīng)中將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電子的形式來儲(chǔ)存電能。其壽命有限，在能量轉(zhuǎn)化的過程中會(huì)有損耗。

- 炭水泥超級(jí)電容器的工作原理

超級(jí)電容器能夠存儲(chǔ)異常多電荷的電容器。

而炭水泥超級(jí)電容器通過利用疏水性炭黑存在下親水性水泥水合之間的協(xié)同作用，自然地結(jié)合了三種屬性：

1）用于給電極充電的電子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)；

2）用于吸附相反電荷表面層的高比表面積的儲(chǔ)存孔隙；

3）用于通過飽和電解質(zhì)進(jìn)行離子擴(kuò)散從或到表面層的儲(chǔ)備孔隙。

研究人員指出，在炭水泥超級(jí)電容器中，水化反應(yīng)促成了促成了碳黑顆粒的解聚和形成電子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而使超級(jí)電容器具有高倍率能力。

進(jìn)而炭泥水超級(jí)電容器成為了住宅和工業(yè)應(yīng)用大容量?jī)?chǔ)能的理想選擇。

- 炭水泥材料結(jié)構(gòu)分析：

研究人員首先對(duì)碳顆粒進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量評(píng)估。

為了深入了解炭水泥材料的結(jié)構(gòu)，研究人員通過EDS-拉曼技術(shù)來區(qū)分不同的碳相。

這些觀察結(jié)果表明，在微米級(jí)的紋理模式下，電解液中的電荷可以傳遞到亞納米級(jí)的碳顆粒中的儲(chǔ)存孔隙。

同時(shí)，碳相中獨(dú)特的紋理特性提供了強(qiáng)有力的證據(jù)：即無論混合比例和碳黑類型如何，碳黑顆粒都會(huì)形成一個(gè)特征模板。

低密度和高密度碳網(wǎng)絡(luò)的紋理特定表面積是碳水泥復(fù)合材料固有的特性。

研究者指出，要完全解釋這種固有紋理的起源，可能需要更先進(jìn)的研究方法。

而一個(gè)可能的解釋是，在高pH環(huán)境下的水泥水化過程中，碳黑顆粒會(huì)被鈣離子和水的消耗解聚。

- 炭水泥材料電容測(cè)量

研究人員設(shè)置了不同的條件制備電極，比較它們性能的差異。

當(dāng)水泥-水（W/C）的配比高時(shí)，電極具有較大的水化孔隙，這使得電極在高掃描速率下表現(xiàn)出無關(guān)速率的電容性能，并且能在最短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大的能量?jī)?chǔ)存。

但隨著電極厚度的增加，電極的速率能力減弱，需要更長(zhǎng)的充電時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)電極材料的完全儲(chǔ)能潛力。

此外，在標(biāo)準(zhǔn)化電容的指標(biāo)下，可以確定炭水泥材料在結(jié)構(gòu)電極方面的潛力，特別是一些需要高速率能量?jī)?chǔ)存能力和承受機(jī)械載荷的應(yīng)用。

具體來說，高W/C比例的電極具有高倍率能力，但同時(shí)會(huì)降低材料的內(nèi)聚強(qiáng)度。

這是因?yàn)樗紫兜脑黾訉?dǎo)致了圍繞微米級(jí)孔隙的應(yīng)力集中，從而降低了高W/C材料的強(qiáng)度性能。

因此，在結(jié)構(gòu)電極的應(yīng)用中，存在著對(duì)能量存儲(chǔ)性能和強(qiáng)度性能的權(quán)衡取舍。

- 炭水泥材料儲(chǔ)能容量的擴(kuò)展

從實(shí)驗(yàn)得出的比例關(guān)系中，可以看出：容積電容的強(qiáng)度特性以及碳網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)特紋理對(duì)實(shí)現(xiàn)能量?jī)?chǔ)存容量的大規(guī)模擴(kuò)展至結(jié)構(gòu)尺度具有十分重要的影響。

也證實(shí)了多孔炭水泥復(fù)合材料的特性以及其在能量?jī)?chǔ)存方面的可擴(kuò)展性。

總的來說，炭水泥復(fù)合材料作為一種可擴(kuò)展的能量?jī)?chǔ)存解決方案，將推動(dòng)未來能源將從化石燃料向可再生能源的轉(zhuǎn)變。

除此之外，炭水泥超級(jí)電容器可以與混凝土結(jié)合，應(yīng)用于包括能量自給自足的避難所、為電動(dòng)車輛自充電的道路、風(fēng)力渦輪機(jī)和潮汐發(fā)電站的間歇性能量?jī)?chǔ)存等。

想象一下，未來的我們將生活在一個(gè)再也不需要各種充電線和接口的世界中，我們無時(shí)無刻被電力包圍著。

這或許是人類發(fā)現(xiàn)電力一百多年以來，真正的進(jìn)入電力社會(huì)的契機(jī)。

首先，制備炭水泥糊劑（由波特蘭水泥和納米碳黑干混合而成）。

其次，加入水和高性能減水劑。在水化過程中密封后，電極樣本被切割并準(zhǔn)備進(jìn)行相關(guān)的 EDS-拉曼和相關(guān)性分析。

然后用電解液（1M KCl）浸泡電極樣本，準(zhǔn)備進(jìn)行電容測(cè)量和分析。

最后進(jìn)行量綱分析，得出比例關(guān)系。

關(guān)鍵詞：