- 混凝土建筑可转变为清洁能源储存系统。
- 超级电容器可快速存储和释放能量，减少外部需求。
- 3D 打印技术提高了水泥基装置的导电性和强度。
- 寒冷天气限制了混凝土超级电容器的性能。
将混凝土建筑转变为大型清洁能源储存系统不再仅仅是一个未来的构想。随着城市推动消除碳排放，储能水泥可能很快成为现代建筑的标准基础。中国哈尔滨工业大学的团队已开发出一种可 3D 打印的水泥基超级电容器，能在不影响结构完整性的情况下储存能量。据称该技术强大且高效，若能大规模应用，将重新定义城市建筑。研究的通讯作者钟静表示：“如果建材不仅能支撑结构，还能储存能量、感知周围环境，甚至与人互动，那么建筑将不再是被动的庇护所，而是实现真正智能的环境。”
超级电容器的优势
充电混凝土可再生能源面临储存问题。太阳能电池板和风力发电机产生大量清洁电力，但在当地储存这些能量通常需要沉重且昂贵的电池组。超级电容器能快速存储和释放能量，无需依赖缓慢的化学反应，并且能够承受数百万次的充电循环。将这些装置嵌入基础板或楼梯间，让结构能够储存高峰时段的太阳能并在需要时瞬时释放。这种方法将承重混凝土转变为主动的能量储存系统，从而减少对外部电池设置的需求。
以往的水泥基装置存在界面机械强度不足和离子通过厚度缓慢的问题。该团队通过将碳纳米管、碳黑和水泥混合成一种高导电性的可打印墨水来解决这一问题。利用 3D 打印机，他们将混合物以紧密的手指状互锁模式沉积在混凝土板上。随着水泥的水合，微小的充满水的孔隙在基质中形成，为带电离子之间的运动创造了高速通道，从而实现最小的电阻。创新毫无意义如果建筑倒塌。所幸，严格的测试证明，储能板的抗压强度与日常建筑中使用的商业混凝土相当。
技术挑战与潜力
为了展示其真实潜力，研究人员将三个打印的装置连接在一个板上，立即点亮了一组 LED 灯。在短期内，这项技术可用于运行应急照明、供电安全传感器，或在停电期间保持结构健康监测网络的运作，无需外部接线。
根据研究，这种混凝土超级电容器提供强大的电输出，储存能量密度达 22.52 μWh cm –2。它在 1.0V 的操作范围内提供 0.49 mW cm-2 的输出。同时，该技术能够抵抗 23.00 MPa 的压缩力，符合建筑用结构混凝土的强度标准。这些结果证实建筑材料可以作为有效的电力单元，并不会牺牲承载重物的能力。然而，该技术并非没有挑战。尽管水泥超级电容器在适度的加热和冷却下运行顺利，但当温度降至零华氏度（-18°C）时，其性能会下降。
寒冷的天气会冻结水合孔隙中的离子运动，限制电力输出。加强材料抵御严寒仍然是团队在商业应用前的主要挑战。
尽管如此，其潜力巨大。来自可再生能源的频繁充电使这些混凝土超级电容器能够通过持续的能量循环来满足特定建筑的电力需求。钟静指出，这一常规的储存和释放过程为结构补充自身电力需求提供了可行的途径。研究结果已发表于《ACS Nano》期刊。
项目 规格 能量密度 22.52 μWh cm –2 电力输出 0.49 mW cm-2 抗压强度 23.00 MPa
混凝土超级电容器的应用前景
随着可再生能源的普及，储能技术成为解决能源储存问题的关键。混凝土超级电容器的发展不仅能提升建筑物的功能性，还能降低对传统电池系统的依赖。这项技术的成功应用将有助于实现更智能的建筑环境，并可能改变未来城市的能源管理方式。然而，寒冷气候对其性能的影响仍需克服，这将是推广商业应用的主要挑战之一。