- 混凝土建築可轉變為清潔能源儲存系統。
- 超級電容器可快速儲存和釋放能量，減少外部需求。
- 3D 列印技術提高了水泥基裝置的導電性和強度。
- 寒冷天氣限制了混凝土超級電容器的性能。
將混凝土建築轉變為大型清潔能源儲存系統不再僅僅是一個未來的構想。隨著城市推動消除碳排放，儲能水泥可能很快成為現代建築的標準基礎。中國哈爾濱工業大學的團隊已開發出一種可 3D 列印的水泥基超級電容器，能在不影響結構完整性的情況下儲存能量。據稱該技術強大且高效，若能大規模應用，將重新定義城市建築。研究的通訊作者鐘靜表示：「如果建材不僅能支撐結構，還能儲存能量、感知周圍環境，甚至與人互動，那麼建築將不再是被動的庇護所，而是實現真正智能的環境。」
超級電容器的優勢
充電混凝土可再生能源面臨儲存問題。太陽能電池板和風力發電機產生大量清潔電力，但在當地儲存這些能量通常需要沉重且昂貴的電池組。超級電容器能快速儲存和釋放能量，無需依賴緩慢的化學反應，並且能夠承受數百萬次的充電循環。將這些裝置嵌入基礎板或樓梯間，讓結構能夠儲存高峯日間的太陽能並在需要時瞬時釋放。這一方法將承重混凝土轉變為主動的能量儲存系統，從而減少對外部電池設置的需求。
以往的水泥基裝置存在界面機械強度不足和離子通過厚度緩慢的問題。該團隊通過將碳納米管、碳黑和水泥混合成一種高導電性的可列印墨水來解決這一問題。利用 3D 打印機，他們將混合物以緊密的手指狀互鎖模式沉積在混凝土板上。隨著水泥的水合，微小的充滿水的孔隙在矩陣中形成，為帶電離子之間的運動創造了高速通道，從而實現最小的電阻。創新毫無意義如果建築倒塌。所幸，嚴格的測試證明，儲能板的抗壓強度與日常建築中使用的商業混凝土相當。
技術挑戰與潛力
為了展示其真實潛力，研究人員將三個打印的裝置連接在一個板上，立即點亮了一組 LED 燈。在短期內，這項技術可以用於運行應急照明、供電安全傳感器，或在停電期間保持結構健康監測網絡的運作，無需外部接線。
根據研究，這種混凝土超級電容器提供強大的電輸出，儲存能量密度達 22.52 μWh cm –2。它在 1.0V 的操作範圍內提供 0.49 mW cm-2 的輸出。同時，該技術能夠抵抗 23.00 MPa 的壓縮力，符合建築用結構混凝土的強度標準。這些結果證實建築材料可以作為有效的電力單元，並不會犧牲承載重物的能力。然而，該技術並非沒有挑戰。儘管水泥超級電容器在適度的加熱和冷卻下運行順利，但當溫度降至零華氏度（-18°C）時，其性能會下降。
寒冷的天氣會凍結水合孔隙中的離子運動，限制電力輸出。加強材料抵禦嚴寒仍然是團隊在商業應用前的主要挑戰。
儘管如此，其潛力巨大。來自可再生能源的頻繁充電使這些混凝土超級電容器能夠通過持續的能量循環來滿足特定建築的電力需求。鐘靜指出，這一常規的儲存和釋放過程為結構補充自身電力需求提供了可行的途徑。研究結果已發表於《ACS Nano》期刊。
項目 規格 能量密度 22.52 μWh cm –2 電力輸出 0.49 mW cm-2 抗壓強度 23.00 MPa
混凝土超級電容器的應用前景
隨著可再生能源的普及，儲能技術成為解決能源儲存問題的關鍵。混凝土超級電容器的發展不僅能提升建築物的功能性，還能降低對傳統電池系統的依賴。這項技術的成功應用將有助於實現更智能的建築環境，並可能改變未來城市的能源管理方式。然而，寒冷氣候對其性能的影響仍需克服，這將是推廣商業應用的主要挑戰之一。