麻省理工学院利用水泥和炭黑制造出超级电容器

麻省理工学院的研究人员展示了一种使用低成本水泥和炭黑的制造的超级电容器，这一发明可能会彻底颠覆可再生能源的存储。

​为了解决太阳能、风能和潮汐能等间歇性和非周期性电源的普及问题，实用并且廉价的电力储存技术一直是重要的环节。MIT的研究人员最近展示了一种新型的超级电容器技术，或许可以满足这一需求。

MIT的团队一直在寻找一种低成本且易于获取的材料，来制造超级电容器。他们发现了一些有希望的候选材料——水泥、炭黑和水——并已经在实验室环境中成功进行验证。

超级电容器是怎样工作的

要想理解MIT研究人员是怎么研究出这个超级电容器的，有必要先了解一下电容器储存电力的一些基本原理。

电容器由两个浸入电解质中的导电板组成，它们之间有一个绝缘膜隔开。当电容器充电时，来自电解质的正离子会聚集在负极板上，而负离子会聚集在正极板上。绝缘膜阻止了离子在中间相互接触，并产生了一个可以快速释放高电流的电荷势差。

影响电容器储存电力的一个关键因素是导电板的表面积。表面积越大，收集到的离子越多，就能产生更高的电流势差。

在MIT的炭黑/水泥超级电容器中，他们将高导电性的炭黑与水泥粉和水混合在一起制成混凝土。在固化过程中，混凝土中形成了类似分形结构的分支网络状空隙。

由于炭黑是疏水性的（它不亲水），它会自动迁移到空隙处，形成了一种高导电性的碳线网络。这些碳线在空隙中起到了导体的作用，并使得导体具有相对于总体积极高的表面积。

MIT团队接着将混凝土片浸泡在常见的电解质氯化钾中，作为提供带电粒子的来源。这样，混凝土就变成了一个电极，两个这样的电极被绝缘膜隔开，就构成了超级电容器。

研究团队的下一步：扩大规模

实验中使用的电容器很小，只有1毫米乘1厘米左右。三个这样硬币大小的单元可以为一个LED灯供电几秒钟。该团队认为，这种电极的尺寸可以很容易地扩大到1米厚甚至更大。

他们下一步将制造一个大约与普通汽车电池一样大小的单元，以证明其可扩展性。之后，他们计划制造一个45立方米大小的版本，根据初步数据，它应该能提供10千瓦时的电力——足以为一个单户家庭供电。

把任何混凝土表面都变成超级电容器

研究人员说，炭黑的浓度越高，混凝土的强度就越低。但是，即使在大约10%的炭黑含量下，MIT团队的原型也足够坚固，可以用于住宅基础或风力涡轮机底部的结构部件。

虽然10%的炭黑是结构用途的最佳比例，但是非结构或低应力的应用可以通过增加炭黑的比例来储存更多的电力。

研究人员还指出，给这种材料施加电压可以产生热量。碳黑结构的表面积决定了电容器的功率容量，而调节混合比例也可以实现不同的充放电速率。

例如，为电动汽车充电的道路可以调节为非常快的充放电速率；家庭的地基可以调节为白天慢慢充电，晚上慢慢放电。

通过这项研究，MIT团队认为几乎任何使用混凝土的地方（除了最需要强度的应用外）都可以成为潜在的超级电池。

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