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混凝土電池來(lái)了!科學(xué)家新研究:你家秒變充電寶

2024-06-13 08:42:53 78觀看

你“家”可以變電池了。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

近麻省理工學(xué)院的一個(gè)新研究,有點(diǎn)突破常規(guī)認(rèn)知,他們可以把房子變成一個(gè)巨大的“電池”。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

這個(gè)團(tuán)隊(duì)將水、水泥、炭黑等的混合物變成了一種超級(jí)電容器,不僅可以存電,還可以放電。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

目前大多數(shù)建筑物和道路都是由水泥混合物組成,想象一下,當(dāng)你住的房子和道路都變成了大號(hào)充電寶。全面可再生的能源時(shí)代,還會(huì)遠(yuǎn)嗎?4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

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01、 房子變電池4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

建造這種“超級(jí)電容器”,并不需要什么高精尖的科技材料,甚至非常簡(jiǎn)單,用的都是生活中常見(jiàn)的原材料,而且都非常便宜——水、水泥和炭黑。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

我們不常聽(tīng)到的炭黑,也不是什么難以合成的材料。這是一種用于制造汽車輪胎的高導(dǎo)電材料,是不完全燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的木炭雜質(zhì),可以用來(lái)制造墨水、顏料、橡膠...4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

將它們混合、凝固后,就可以獲得一個(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。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

其實(shí)原理也很簡(jiǎn)單,麻省理工學(xué)院的科學(xué)家發(fā)現(xiàn),當(dāng)水泥與水混合且靜置一段時(shí)間后,水泥與水反應(yīng)時(shí),會(huì)產(chǎn)生一些空隙。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

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這時(shí)候炭黑派上了用場(chǎng),將其混入混凝土混合物中后,由于其疏水性,排斥水分,碳會(huì)聚集在這些空隙中,自然形成一種類似于樹(shù)枝狀的網(wǎng)絡(luò),后在凝固硬化的水泥中會(huì)形成一種線狀的結(jié)構(gòu)。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

這些線狀結(jié)構(gòu)像樹(shù)枝一樣,會(huì)產(chǎn)生許多大的分支,大的分支又會(huì)產(chǎn)生更小的分支,更小的分支則會(huì)越來(lái)越小地分裂下去。終致使在看起來(lái)極為有限的空間中形成巨大的表面積。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

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要知道,電容器的儲(chǔ)能量是和電極的體積相關(guān)的,如果把1毫米變成1米,就能提供更多的電力。在極為有限的空間中,形成巨大的表面積這一特性,為接下來(lái)的儲(chǔ)能上限的研究添加了極大的想象空間。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

而加入的炭黑則擔(dān)任了導(dǎo)電線的角色,水泥與水發(fā)生反應(yīng)后這些線狀結(jié)構(gòu)就像是連接兩個(gè)極板的橋梁,使得整個(gè)混合物具有了導(dǎo)電性。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

項(xiàng)目參與者之一的馬希奇(Admir Masic)表示,隨著混合物的固化,水泥中的水化反應(yīng)系統(tǒng)地消耗了水分,而這種水化反應(yīng)主要影響碳納米顆粒,因?yàn)樗鼈兙哂惺杷浴L亢趧t會(huì)形成一條導(dǎo)電線。重要的是,只需使用在地球上任何地方都能獲得的這些廉價(jià)材料,就能輕易復(fù)制這一過(guò)程。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

然后,他們將這種材料浸入常規(guī)電解質(zhì)材料中,例如氯化鉀,利用薄薄的空間或絕緣層隔開(kāi),氯化鉀的帶電粒子會(huì)沉淀在碳絲結(jié)構(gòu)上。其結(jié)果是,就會(huì)形成一個(gè)非常強(qiáng)大的超級(jí)電容器,可以存儲(chǔ)電能并達(dá)到10000次以上的穩(wěn)定充放電循環(huán)。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

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不過(guò)嚴(yán)格來(lái)說(shuō),超級(jí)電容器并不等同于電池,而是介于電池和電容之間的一種儲(chǔ)能裝置。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置,它通過(guò)在化學(xué)反應(yīng)中將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電子的形式來(lái)儲(chǔ)存電能。其壽命有限,在能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程中會(huì)有損耗。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

電容器的工作原理,則是在兩個(gè)電導(dǎo)板之間積聚電荷,通過(guò)電場(chǎng)來(lái)儲(chǔ)存電能。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

而電容器儲(chǔ)能和放電的過(guò)程不涉及化學(xué)反應(yīng),因此循環(huán)壽命很長(zhǎng),其充放電速度要比電池快得多。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

但因?yàn)殡娙萜鞯哪芰棵芏容^低,放電速度過(guò)快等局限性,限制了電容器的應(yīng)用場(chǎng)景。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

而超級(jí)電容器,就是介于兩者之間的一種特殊電容器,利用電極和電解質(zhì)之間形成的靜電雙層來(lái)儲(chǔ)存電荷,可以存儲(chǔ)和釋放比普通電容器更多的電能,并且可以比電池更快地充放電。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

之所以研究這樣的超級(jí)電容器,省理工學(xué)院土木工程教授、這項(xiàng)研究的作者之一的弗朗茨(Franz-Josef Ulm)表示,因?yàn)樘?yáng)能和風(fēng)能并不總是可用,迅速建造更多價(jià)格合理的儲(chǔ)能設(shè)備是擺脫化石燃料的必要條件。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

而且超級(jí)電容器不會(huì)隨著時(shí)間而降低儲(chǔ)能能力,也不需要使用鋰離子電池中那些昂貴、有爭(zhēng)議的材料,如鈷和鋰。由于炭黑很便宜,其成本跟混凝土的成本差不多。 4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

極低的成本下,有著相當(dāng)廣闊的落地空間。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

比如應(yīng)用在房屋建設(shè)中,通過(guò)電纜連接屋頂上的太陽(yáng)能板,使用這種材料制成的地基可以用來(lái)儲(chǔ)存與房屋一天內(nèi)使用量相當(dāng)?shù)奶?yáng)能。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

房子就會(huì)變身成為一個(gè)巨大的充電寶,隨用隨儲(chǔ)。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

這個(gè)團(tuán)隊(duì)的研究還發(fā)現(xiàn),添加的炭黑越多,超級(jí)電容器存儲(chǔ)的能量就越多,不過(guò)混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也會(huì)下降,所以可以針對(duì)所需混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不同,來(lái)添加炭黑的比例造出不同的混凝土“電池”。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

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不僅如此,在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)中,它可以用于風(fēng)力渦輪機(jī)的底座,這種混凝土還可以用來(lái)制造道路,可以在電動(dòng)汽車經(jīng)過(guò)該路面時(shí)為其提供非接觸式充電。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

這就比較有意思了,在經(jīng)過(guò)一系列研究石墨烯、爐子煉超導(dǎo)等大費(fèi)周章的手段以后,這一次人們需要的,也許僅僅只是一臺(tái)攪拌機(jī)。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

02、仍在起步階段4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

其實(shí)這項(xiàng)技術(shù)并非剛剛問(wèn)世,在2023年,麻省理工的這個(gè)團(tuán)隊(duì)就在《PNAS Nexus》雜志上發(fā)表了“混凝土電池”的文章,并且還做出了小型樣品。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

該團(tuán)隊(duì)當(dāng)時(shí)認(rèn)為,一個(gè)家庭的平均每日用電量約為10千瓦時(shí)。根據(jù)計(jì)算,一塊尺寸為45立方米(或碼)的納米炭黑摻雜混凝土,也就是一個(gè)約3.5米寬的立方體 ,儲(chǔ)存一日所需能量綽綽有余。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

由它造成的房子還能一直存儲(chǔ)太陽(yáng)能發(fā)電或者風(fēng)力發(fā)電帶來(lái)的能量,而且它的特性決定充放電速度比我們現(xiàn)在常用的電池要快得多。只要有需要,無(wú)論什么物品,都可以自由使用它儲(chǔ)備的電源。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

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理論成立的情況下,他們也開(kāi)始實(shí)操。在測(cè)試確定水泥、炭黑和水的佳比例之后,該團(tuán)隊(duì)造出了一些和紐扣電池差不多大小的超級(jí)容電器。每個(gè)超級(jí)電容器可以充電到1伏特,連接其中三個(gè)就可以看到這些小東西點(diǎn)亮3伏發(fā)光二極管(LED)的能力。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

證明可行性之后,他們計(jì)劃從建造一個(gè)大約12伏汽車電池大小的版本開(kāi)始,慢慢增加到45立方米,而且他們還設(shè)想,用這種混凝土材料來(lái)鋪路。借助感應(yīng)技術(shù),路過(guò)的電動(dòng)汽車就可以邊移動(dòng)邊充電。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

不過(guò)截至目前,這項(xiàng)技術(shù)仍處于起步階段。他們目前驗(yàn)證的結(jié)論是,炭水泥超級(jí)電容器只能存儲(chǔ)為10瓦的LED供電30小時(shí)的能量。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

此外,早在2021 年,瑞典查爾姆斯理工大學(xué)(Chalmers University of Technology)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)稱,已經(jīng)研究出了可充電混凝土的雛形,與之前的容量相比,儲(chǔ)存的電量增加了900%以上。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

他們的研究人員首先在以水泥為基礎(chǔ)的混合物中加入少量的短碳纖維,然后在混合物中嵌入一個(gè)金屬涂層的碳纖維網(wǎng),鐵為陽(yáng)極、鎳為陰極。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

和用土豆制作電池類似,這個(gè)裝置被證明能夠進(jìn)行放電然后再充電。盡管采用新的設(shè)計(jì)其儲(chǔ)能比之前的容量多出10倍。但實(shí)驗(yàn)中,該電池平均能量密度為每平方米7瓦時(shí)(或每升0.8瓦時(shí)),與商業(yè)電池相比能量密度很低。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

根據(jù)這項(xiàng)研究的聯(lián)合作者Emma Zhang的發(fā)言,這個(gè)裝置200平方米的儲(chǔ)能僅可以供應(yīng)一個(gè)典型美國(guó)家庭每日用電量的8%。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

顯然,麻省理工的研究已經(jīng)不再需要在混凝土中鋪設(shè)網(wǎng)狀電極,并且性能也比瑞典團(tuán)隊(duì)的裝置更高。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

雖然說(shuō)“混凝土電池”的研究仍處于實(shí)驗(yàn)室階段,但是超級(jí)電容器的應(yīng)用范圍已經(jīng)很廣。在我們的日常生活中,像手機(jī)、相機(jī)、路燈、電動(dòng)玩具等設(shè)備都可以見(jiàn)到超級(jí)電容器的身影。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

舉個(gè)例子,由于其充放電速度快、重復(fù)使用次數(shù)多,超級(jí)電容器在軌道交通領(lǐng)域被廣泛使用。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

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2020年,上海市新增了89輛超級(jí)電容公交車,覆蓋了中心城區(qū)的五條主要線路。這些公交車可以利用乘客上下車的間隙,1分鐘的時(shí)間就能充滿電,并且續(xù)航里程達(dá)到10-15千米。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

同樣,它也被應(yīng)用于分布式發(fā)電和配電網(wǎng)系統(tǒng)、軍事設(shè)備、有軌電車等領(lǐng)域。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

可以預(yù)見(jiàn),當(dāng)我們攻克超級(jí)電容器存電量不足、工作電壓較低等挑戰(zhàn)后,“混凝土電池”才會(huì)落地有望。很多人的“家”,也能變成小型發(fā)電站了。4Qm壹木網(wǎng)-日常常見(jiàn)問(wèn)題解答

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