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電容器又閃亮登場了！

MIT News、Science紛紛報道了這一研究。

(資料圖片)

據(jù)公開的論文，可以發(fā)現(xiàn)這個超級電容器的制作十分簡單！

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濃度較低的炭黑。

等待它們凝固以后，你就獲得了一個儲能高，而且?guī)缀醪粨p耗的導(dǎo)電納米級復(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攪拌機(jī)。

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

同時制備材料易得、工藝流程簡單，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)。

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

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

- 電容器和電池的區(qū)別：

電容器的工作原理是在兩個電導(dǎo)板之間積聚電荷，通過電場來儲存電能。

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

電容器儲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，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(yīng)用場景。

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存電能。其壽命有限，在能量轉(zhuǎn)化的過程中會有損耗。

- 炭水泥超級電容器的工作原理

超級電容器能夠存儲異常多電荷的電容器。

而炭水泥超級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備孔隙。

研究人員指出，在炭水泥超級電容器中，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)，從而使超級電容器具有高倍率能力。

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

- 炭水泥材料結(jié)構(gòu)分析：

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

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，在微米級的紋理模式下，電解液中的電荷可以傳遞到亞納米級的碳顆粒中的儲存孔隙。

同時，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，碳黑顆粒都會形成一個特征模板。

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，碳黑顆粒會被鈣離子和水的消耗解聚。

- 炭水泥材料電容測量

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，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，并且能在最短時間內(nèi)實現(xiàn)最大的能量儲存。

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

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儲存能力和承受機(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，但同時會降低材料的內(nèi)聚強(qiáng)度。

這是因為水化孔隙的增加導(dǎo)致了圍繞微米級孔隙的應(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，存在著對能量存儲性能和強(qiáng)度性能的權(quán)衡取舍。

- 炭水泥材料儲能容量的擴(kuò)展

從實驗得出的比例關(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)特紋理對實現(xiàn)能量儲存容量的大規(guī)模擴(kuò)展至結(jié)構(gòu)尺度具有十分重要的影響。

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

總的來說，炭水泥復(fù)合材料作為一種可擴(kuò)展的能量儲存解決方案，將推動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)電站的間歇性能量儲存等。

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

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)行電容測量和分析。

最后進(jìn)行量綱分析，得出比例關(guān)系。

關(guān)鍵詞：