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电气化水泥可以将房屋和道路变成超大电池
特斯拉的Powerwall是一种方形壁挂式锂离子电池，可以为你的家供电半天左右。但如果你的家就是电池呢？
研究人员利用廉价而丰富的材料，想出了一种在水泥中储存电力的新方法。如果扩大规模，水泥可以在房屋的混凝土地基中容纳足够的能量来满足其日常电力需求。进一步扩大规模，电气化道路可以在电动汽车行驶时为其提供动力。如果科学家们能找到一种廉价的方法来实现这一切，这一进步可能会为储存太阳能和风能等间歇性可再生能源提供几乎无限的容量。
到目前为止，这些水泥设备都很小，只够为几个LED灯泡供电。但扩大规模的努力已经在进行中。“如果他们能在更大范围内实现这一目标，这将是一项非常有吸引力的技术，”伦敦帝国理工学院的机械工程师Sang Nguyen说，他没有参与这项工作。
这种水泥装置是一种被称为超级电容器的简化电池。它们由两块导电板组成，导电板由离子导电电解质和薄膜隔开。当设备充电时，来自电解质的带正电的离子积聚在一个板上，而带负电的离子则积聚在另一个板。
储电量取决于超级电容器导电板的总表面积。几十年来，研究人员一直试图将它们融入结构材料中，如道路和建筑中使用的混凝土，或汽车和飞机机身中使用的碳复合材料。与当今最好的电池不同，超级电容器通常使用不可燃的电解质，使其更安全。
问题是水泥，混凝土的主要成分，通常是一种不良的导电体。因此，近年来，一些研究小组通过在水泥中掺入高导电形式的碳，如石墨烯或碳纳米管，制成了结构超级电容器。麻省理工学院(MIT)的土木工程师Franz Josef Ulm指出，尽管这些材料性能良好，但由于水泥行业需要使用大量材料，这些材料价格昂贵，难以生产。
为了寻找更便宜的替代品，Ulm和他的同事们转向了一种古老的粉末状炭黑，这种炭黑自古以来就被用作黑色颜料。炭黑价格低廉，全球储量丰富，导电性也很强。
Ulm和他的团队将一小部分炭黑与水泥粉混合并加水。水很容易与水泥结合。但由于炭黑颗粒排斥水，它们往往会聚集在一起，在硬化的水泥中形成相互连接的长卷须，就像一个金属丝网络。
Ulm和他的同事们把这种有线水泥切成小板，制成了1毫米厚、1厘米宽、大约按钮大小的超级电容器。在添加了一层膜、一种由氯化钾(一种简单的盐)和水制成的电解质后，研究人员密封了三明治结构。当他们将一根电线连接到板上并拨动开关时，水泥超级电容器点亮了一系列LED灯。
该团队今天在《美国国家科学院院刊》上报道称，如果用炭黑水泥制造45立方米体积的混凝土——大约相当于标准房屋地基的用量——它可以储存10千瓦时的能量，足以为普通家庭提供一天的电能。如果用同样的方法修建道路、停车场或车道，电气化混凝土可以储存可再生能源，并通过感应充电器将其输送给电动汽车。一种方法可能是通过嵌入道路的铜线圈将电力输送到汽车的车底——有点像无线充电器为智能手机充电。德国和荷兰已经在开发这种技术。
麻省理工学院化学家、一项研究的合著者Admir Masic表示，通过提供一种更便宜的替代品来代替更昂贵的电池，带电水泥还可以使发展中国家更能负担得起储存可再生能源的费用。“这使我们进入了一个新的储能空间，其价格在世界任何地方都可以买到。”
为了取得成功，研究人员需要放大按钮大小的平板。Nguyen指出，这样做并非小事。随着超级电容器越来越大，它们的电导率通常会下降，从而更难从中注入和提取能量。Ulm指出，一种解决方案是简单地在混合物中添加更多的炭黑，但不要添加太多，以免削弱水泥的结构完整性。对于结构混凝土，研究人员发现，在不影响其强度的情况下，它们可以添加高达10%的炭黑。Ulm表示，该集团已经为其技术申请了专利，目前正在努力扩大规模，以匹配12伏汽车电池的输出。
