在麻薩諸塞州劍橋的一個實驗室工作台上，一堆黑色混凝土的拋光圓柱浸泡在液體中，並纏繞著電纜。對於一般觀察者來說，這些混凝土塊看起來沒什麼動靜。但隨後達米安·史特凡尼克（Damian Stefaniuk）輕輕一按開關。這些人造岩石塊連接到一個 LED 燈上，燈泡閃爍著亮了起來。
「起初我不相信，」史特凡尼克描述第一次 LED 燈亮起來的時候說道。「我以為我沒有斷開外部電源，所以 LED 燈才會亮著。
「那是美好的一天。我們邀請了學生，我也邀請了教授來看，因為起初他們也不相信它能工作。」
令人興奮的原因是什麼？這個不起眼的黑色混凝土塊可能代表了能源儲存的未來。
大多數可再生能源的前景是太陽、風和海洋賦予我們的無盡清潔能源。然而，太陽並不總是照耀，風並不總是吹，靜水也不能在兆瓦級別上提供深厚的能量。這些能源是間歇性的，這在我們這個能源需求旺盛的現代世界中，構成了一個問題。
這意味著我們需要將這些能量儲存在電池中。但電池依賴於鋰等材料，而鋰的供應遠遠少於世界為能源和運輸系統脫碳所需的需求。世界上有 101 個鋰礦，經濟分析師對這些礦山能否跟上不斷增長的全球需求感到悲觀。環境分析師指出，鋰的開採會消耗大量的能源和水，這從一開始就削弱了轉向可再生能源的環境效益。提取鋰的過程有時也會導致有毒化學物質洩漏到當地供水系統中。
儘管發現了一些新的鋰儲量，但這種材料的有限供應、對全球僅少數幾個礦山的過度依賴及其對環境的影響，促使人們尋求替代電池材料。
這就是史特凡尼克和他的混凝土的用武之地。他與麻省理工學院（MIT）的同事們找到了一種方法，可以用三種基本且廉價的材料——水、水泥和一種類似煤煙的物質，稱為碳黑，來製造一種稱為超級電容器的儲能裝置。
▲ 達米安·史特凡尼克能夠使用碳水泥超級電容器為手持遊戲設備供電（圖片來源：Damian Stefaniuk）
超級電容器在儲存能量方面非常高效，但在某些重要方面與電池不同。它們的充電速度比鋰離子電池快得多，並且不會遭受同樣程度的性能退化。但超級電容器也會迅速釋放其儲存的能量，這使得它們在需要長時間穩定供電的設備（如手機、筆記型電腦或電動汽車）中不太有用。
然而，根據史特凡尼克的說法，碳-水泥超級電容器可以為全球經濟脫碳做出重要貢獻。「如果能夠擴大規模，這項技術可以幫助解決一個重要問題，就是再生能源的儲存，」他說道。
他與麻省理工學院和哈佛大學韋斯生物啟發工程研究所的同事們設想了超級電容器的幾種應用。
其中一個應用可能是創建能夠儲存太陽能的道路，然後在電動汽車沿著道路行駛時無線地釋放能量為其充電。碳-水泥超級電容器的快速能量釋放可以讓車輛快速增強其電池。另一個應用則是作為房屋的能量儲存基礎——「使牆壁、基礎或柱子在支持結構的同時也能儲存能量」，史特凡尼克說。
但這還處於早期階段。目前，混凝土超級電容器每立方公尺能儲存不到300瓦時，這大概可以為10瓦的LED燈泡供電30小時。
「與傳統電池相比，這種功率輸出可能看起來很低，但一個有30-40立方公尺混凝土的基礎可能足夠滿足一個住宅房屋的日常能源需求，」史特凡尼克說。「鑒於全球廣泛使用混凝土，這種材料在能源儲存方面具有很高的競爭力和實用性。」
史特凡尼克和他在麻省理工學院的同事們最初透過用這種材料製造出硬幣大小的 1V 超級電容器，然後串聯起來為 3V LED 供電，證明了這一概念。此後，他們將其擴大規模，生產了 12V 超級電容器。 史特凡尼克還能夠使用更大版本的超級電容器為掌上型遊戲機供電。
現在，研究團隊正計劃建造更大的版本，包括一個高達 45 立方公尺的版本，能夠儲存大約 10kWh 的能量，足以為一棟房子供電一天。
這種超級電容器的工作原理是由於碳黑的一種不尋常的特性——它具有高導電性。這意味著當碳黑與水泥粉和水混合時，會形成一種充滿導電材料網路的混凝土，其形態類似於不斷分支的微小根系。
電容器由兩個導電板和中間的隔膜組成。在這種情況下，兩個板都是由碳黑水泥製成的，浸泡在稱為氯化鉀的電解質鹽中。
當電流施加到浸泡在鹽中的板上時，帶正電的板會從氯化鉀中積累帶負電的離子。由於隔膜阻止了板之間的電荷交換，電荷的分離產生了一個電場。
由於超級電容器可以非常快速地積累大量電荷，因此這種裝置可以用於儲存風能和太陽能等間歇性可再生能源產生的多餘能量。這將在沒有風也沒有陽光的時候減輕電網的壓力。正如史特凡尼克所說：「一個簡單的例子就是一個由太陽能電池板供電的離網房屋：白天直接使用太陽能，晚上使用儲存在例如地基中的能量。」
超級電容器並不完美。現有的版本放電速度很快，不適合穩定輸出，而這對於全天為房屋供電是必需的。 史特凡尼克說，他和他的同事們正在研究一種解決方案，透過調整混合物來調整他們的碳水泥版本，但他們不會透露細節，直到他們完成測試並發表論文。
▲ 麻省理工學院的研究人員正在致力於擴大碳水泥超級電容器的規模，以便將其用於多種不同的應用（圖片來源：Getty Images）
可能還有其他問題需要克服，像是加入更多的碳黑可以讓生成的超級電容器儲存更多的能量，但也會使混凝土變得稍微弱一些。研究人員說，任何既有結構作用又有儲能作用的用途都需要找到最佳的碳黑混合比例。
雖然碳水泥超級電容器可以幫助減少我們對鋰的依賴，但它們也有自己的環境影響。水泥生產占全球人類活動二氧化碳排放量的 5-8%，超級電容器所需的碳水泥需要全新製造，而不是改造現有結構。
儘管如此，英國蒂賽德大學可持續工程中心負責人麥克·蕭特（Michael Short）表示，這似乎是一項很有前景的創新。他說，這項研究「為將建築環境本身用作儲能介質開闢了許多有趣的潛在途徑」。「由於材料也很常見，製造過程也相對簡單，這很好地表明，這種方法應該進一步研究，並有可能成為向更清潔、更可持續的未來過渡的非常有用的部分。」
但是，需要更多的研究才能將其從實驗室轉移到現實世界中。
「通常，當考慮從實驗室或工作台規模轉移到更大規模和更大體積的部署時，新發現就會出現問題。這可能是由於製造的複雜性、資源的稀缺性，或者有時是由於潛在的物理或化學原因。當試圖將其放大時，在較小規模下出現的理想特性可能會減少甚至消失。」
但蕭特補充說，可能有一種方法可以克服水泥對環境不友好的問題。他在蒂賽德大學的同事們已經在研究低排放水泥，這種水泥是由鋼鐵和化工行業的副產品製成的。
低排放水泥和儲能混凝土等項目讓我們看到了這樣一個未來：我們的辦公室、道路和住宅在由清潔能源驅動的世界中發揮著重要作用。
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