水泥都可以充電　秘密在於這種成份……

有想過你間屋可以被動式地儲存來自太陽能和風能的電力，以供你日常生活使用嗎？最新刊於《美國國家科學院院刊 (PNAS) 》的研究，提出了一種使用廉價且可大量獲得的材料，在水泥中儲存電力的新方法。

水泥裝置是一種稱為超級電容器的簡化電池，由兩塊導電板組成，這些導電板會被離子導電電解質和薄膜隔開。當充電時，電解質中帶正電的離子積聚在一邊導電板上，帶負電的離子則積聚在另一塊板上；而蓄電量取決於超級電容器導電板的總表面面積 

幾十年來，學界一直試圖將之納入結構材料中，例如道路和建築物中使用的混凝土，或汽車和飛機機身中使用的碳複合物料。與當今最好的電池不同，超級電容器通常使用不易燃的電解質，使其更安全。

問題在於，混凝土的主要成分水泥通常是不良電導體。因此，近年一些團隊通過在水泥中摻入高導電碳，例如石墨烯或碳納米管來製造結構超級電容器。麻省理工學院 (MIT) 土木工程師 Franz-Josef Ulm 指出，雖然這些材料性能良好，但其成分價格昂貴，難以在水泥行業中大量生產。

為了尋找更便宜的替代品， Ulm 的團隊轉向了一種古老的碳粉形式，即碳煙 (carbon black) 。碳煙自古以來就被用作黑色顏料，而且在全球都能大量開採價格便宜，更重要是導電性很高。

團隊將少量碳煙與水泥粉和水混合。水本身與水泥很易結合，但碳煙顆粒會排斥水，往往會聚集在一起，並在硬化水泥內形成又長且互相連接的線道，就像電線網絡一樣。

團隊將這種有碳煙水泥切割成小板，製造出 1 毫米厚、1 厘米闊、大約 1 粒鈕扣大小的超級電容器。在添加一塊膜、由氯化鉀 (potassium chloride) 和水製成的電解質後，團隊密封了夾層結構。然後，當他們將電線連接到水泥板上並按下開關時，水泥超級電容器會點亮一系列 LED 燈。

如果用碳煙水泥來製造 45 立方米的水泥（大概是美國一間標準平房地基的水泥使用量），可以儲存 10 千瓦時的能量，足以為一個普通家庭提供一整天電力。如果使用相同方式建造道路、停車場或車道，碳煙水泥可以儲存大量可再生能源，並通過感應充電器將其輸送到電動汽車。其中一種方法可能是通過嵌入在道路的銅線圈，向汽車底部輸送電力，情況有點像智能手機無線充電器的方式，而德國和荷蘭已經開發了此類技術。

有參與研究的 MIT 化學家 Admir Masic 表示，碳煙水泥還可以讓發展中國家更容易負擔得起可再生能源，使人類社會進入了一個新的能源儲存時代。

不過，要取得成功，團隊需要將鈕扣大小的水泥板增大，這樣做並非易事，因為隨著超級電容器變得越來越大，其電導率通常會下降。 Ulm 指出，其中一種解決方案是簡單地在混合物中添加更多的碳煙，但含量不可以太多，否則會削弱水泥的結構完整性。

團隊發現，可在水泥中添加高達 10% 的碳煙，而不會對其強度造成太大影響。 Ulm 又表示，團隊已申請了技術專利，未來希望可以該種水泥產出匹配到 12 伏汽車電池的輸出。

來源：

Science, Electrified cement could turn houses and roads into nearly limitless batteries

報告：

Chanut, N., Stefaniuk, D., Weaver, J.C. & et al. (2023). Carbon–cement supercapacitors as a scalable bulk energy storage solution. PNAS 120 (32) e2304318120. doi: 10.1073/pnas.2304318120

文／AC