原創(chuàng) 小雨 原理 2023-08-01 20:31 發(fā)表于浙江
水泥和炭黑是世界上最常用的人造材料，在人類文明史中，這些材料至少已經(jīng)存在了2000年。一項(xiàng)新發(fā)表于《美國國家科學(xué)院院刊》雜志上的研究表明，當(dāng)以一種特定的方式將它們與水結(jié)合時，就可以得到一種導(dǎo)電的納米復(fù)合材料。再將這種材料制成超級電容器，就可以得到一種新型的、低成本的儲存電能的系統(tǒng)，成為電池的一種替代品。
超級電容器
電容器是類非常簡單的裝置，由浸沒在電解液中的兩片由絕緣層隔開的導(dǎo)電的電極板組成。當(dāng)對電容器施加電壓時，電解液中帶正電的離子會積聚在帶負(fù)電的電極板上，而帶正電的電極板上則會積聚帶負(fù)電的離子。
電極板之間的絕緣層阻止了這些帶電離子的遷移，在電極板間產(chǎn)生了電場，電容器就被“充電”了。電極板之間的電荷可以維持很長一段時間，并在需要時以非常快的速度釋放它們。
超級電容器就是能夠儲存超大容量電荷的電容器。而決定了電容器所能儲存的電量的，是電極板的總表面積。新研究所開發(fā)的這種新型的超級電容器，就是用一種擁有著極高的內(nèi)表面積的材料制成的。
這種材料是通過將具有高導(dǎo)電性的炭黑與水泥粉和水一起加入混凝土混合物中，再任其固化而得到的。其超高的表面積源自于其中的密集且相互連接的導(dǎo)電材料網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)水與水泥發(fā)生反應(yīng)時，會在結(jié)構(gòu)中自然形成一個分支網(wǎng)絡(luò)，碳會遷移到這些網(wǎng)絡(luò)中，在已經(jīng)變硬的水泥中形成線狀結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)具有類似分形的結(jié)構(gòu)，較大的分支會生出較小的分支，而這些分支會繼續(xù)生出更小的分支，周而復(fù)始，最終在相對較小的體積范圍內(nèi)，就形成一個非常大的表面積。
將這樣的材料制成兩個由一個薄薄的絕緣層隔開的電極板，并浸沒在標(biāo)準(zhǔn)的電解液中，就可以形成一個非常強(qiáng)大的超級電容器。當(dāng)把這個超級電容器連接到電源時，它就能像電池一樣將能量儲存在電極板上；當(dāng)連接到負(fù)載上時，電流就流出來提供電力。
巨大的應(yīng)用前景
由這種材料制成的超級電容器，或許在幫助世界向可再生能源過渡方面具有巨大的潛力。
研究人員計算出，一塊大小為45立方米（相當(dāng)于直徑約3.5米的立方體）的納米碳黑摻雜混凝土，擁有足夠的容量存儲大約10千瓦時的能量，這相當(dāng)于一個家庭一天所使用的平均電量。用這種材料做地基的房子可以儲存由太陽能電池板或風(fēng)車所產(chǎn)生的一天的電量，并且能在需要的時候使用。而且，超級電容器的充電和放電速度比電池要快得多。
在進(jìn)行了一系列測試來確定水泥、炭黑和水的最佳比例之后，研究人員制作出了一批小型的超級電容器。它們的大小與紐扣電池差不多，直徑約1厘米，厚度約1毫米，能充電到大約1伏，相當(dāng)于1伏的電池。然后，他們將三個這樣的超級電容器連接起來，點(diǎn)亮了一個3伏的發(fā)光二極管，證實(shí)了這種新型的超級電容器，可以成為電池的一種可行替代。
現(xiàn)在，研究人員計劃制造一系列更大的超級電容器，從大小與經(jīng)典的12伏汽車電池相當(dāng)?shù)陌姹鹃_始，逐步發(fā)展到能儲存一所房子所需電力的45立方米大小的版本。
研究人員指出，這種材料在存儲容量和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之間存在一種權(quán)衡。通過添加更多的炭黑，可以得到能儲存更多能量的超級電容器，但與此同時會削弱混凝土的硬度，這對于不需要混凝土發(fā)揮結(jié)構(gòu)作用的應(yīng)用或許仍是可行的。他們還發(fā)現(xiàn)，對于基礎(chǔ)或風(fēng)力渦輪機(jī)基座的結(jié)構(gòu)元件等應(yīng)用，最佳的配比是在混合物中加入10%的炭黑。
超級電容器的另一個潛在應(yīng)用是建造混凝土道路，這些道路可以儲存沿路安置的太陽能電池板所產(chǎn)生的能量，然后通過使用與無線充電手機(jī)相同的技術(shù)，將這些能量輸送給沿路行駛的電動汽車。
混凝土的未來
這項(xiàng)新的研究用一種簡單而創(chuàng)新的方法，使用成本低廉、儲量豐富、廣泛可用的水泥、炭黑、水，創(chuàng)造出了一種非常有潛力的儲能技術(shù)。從目前以化石燃料為基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)，向以可再生能源為基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)過渡的程度和速度，在很大程度上取決于能源存儲的解決方案的可行性。研究人員認(rèn)為，新的研究成果讓我們對未來的混凝土有了新的期待，它們將有望成為能源轉(zhuǎn)型的一部分。
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