水泥电池会是下一场能源革命吗？

撰文 | 王跃生（凝聚态物理博士）

电池想必大家都不陌生，但大家听过“水泥电池”吗？水泥在我们日常生活中一般被当做建筑材料，难道我们住的楼房也可以储存电？水泥电池是什么？它和我们平时用的锂离子电池有什么区别？今天咱一起了解一下水泥电池。

水泥电池是2021年，瑞典查尔默斯理工大学工作的Emma Zhang博士在寻找未来的建筑材料时发明的。他的工作原理是这样的（画面显示）：

这个水泥电池概念其实非常简单。

首先，在水泥中添加少量短碳纤维形成具有导电和弯曲韧性的水泥基混合物。然后，在混合物中嵌入一层金属涂层的碳纤维网做电极——铁作阳极，镍作阴极。这就是水泥基电池的原型。

根据报道，研究人员生产的可充电水泥电池，平均能量密度为每平方米7瓦特时，相当于两节五号碱性电池（碱性电池能量密度3.27 Wh）。与商用锂离子电池相比，水泥电池的能量密度仍然很低，但由于电池在建筑物中使用时面积巨大，这一限制可以被克服，也就是可以用面积来弥补能量密度低的缺点。

2023年美国麻省理工学院研究人员进一步优化了水泥电池，他们的研究已经不再需要在混凝土中铺设网状电极，并且性能也比瑞典团队的装置更高。研究人员利用水、水泥和碳黑的混合物，加入的炭黑则担任了导电线的角色，水泥与水发生反应后这些线状结构就像是连接两个极板的桥梁，使得整个混合物具有了导电性。以此来创建一个超级电容器的储能设备，有望为家庭供电。

前面提到了水泥电池，现在又提到了超级电容器。其实水泥电池的基本原理就是电容器。那么什么是电容器，超级电容器又是如何工作的，它与传统锂离子电池有什么区别？

所谓超级电容器，是近年来越来越流行的一种储能系统。

就像电池一样，超级电容器也具有由电解质隔开的正极和负极。超级电容器工作原理在充电时正极材料逐渐积累正电荷，负极材料逐渐积累负电荷。在电极积累电荷静电吸引力作用下，正极材料表面将吸附电解液中的负离子，负极材料表面将吸附电解液中的正离子。这种储能方式被称为“双电层储能机制”，类似于在两个带电板之间形成的电场。而传统锂离子电池工作原理有点像摇椅，充电时正极电势逐渐上升，负极电势逐渐下降，在正负极之间电势差作用下，正极和负极材料发生氧化还原反应。因为它通过化学反应来储存和释放能量，所以这种储能方式被称为“化学储能机制”。

由于超级电容器的充电和放电是一个纯粹的物理过程，所以和锂电池相比，它的充电和放电过程都非常迅速。除此之外，超级电容器还有在很小的体积下能存储很大的电容量；循环使用寿命长，可以反复充放电数十万次；超低温特性好；大电流放电能力强等优点。

但是，凡事都有利有弊，目前想用超级电容普遍代替锂电池还是做不到的，因为目前生产超级电容在技术上还不完全，生产成本高。

另外，其能量密度低，不能在单位体积内存储更多的能量。一般用于需要快速放电和充电的场合，如闪光灯、电子电路中的滤波和耦合等。如果纯电动车改用超级电容，那整车就得装载更大体积的超级电容。

再有一点就是超级电容器不耐高温，不能放置在潮湿的环境中，否则会影响正常工作，甚至损坏。

超级电容的充电速度比锂离子电池的速度快得多，相比锂离子电池，超级电容的安全性也更好。超级电容目前已经到了扩大应用范围，并进行产业化的阶段。超级电容器以其优异的特性扬长避短，可以部分或全部替代传统的化学电池用于车辆的牵引电源和启动能源，并且具有比传统的化学电池更加广泛的用途。

由于成本极低，基于电容器的水泥基电池有着相当广阔的落地空间。

比如应用在房屋建设中，通过电缆连接屋顶上的太阳能板，使用这种材料制成的地基可以用来储存与房屋一天内使用量相当的太阳能。房子就会变身成为一个巨大的充电宝，随用随储。尽管目前仍处于早期阶段，储存能力可以为一个10瓦LED灯泡供电30小时，但对未来可扩展性和融入建筑环境的影响是显著的。麻省理工团队的研究还发现，添加的炭黑越多，超级电容器存储的能量就越多，不过混凝土结构强度也会下降，所以可以针对所需混凝土结构的强度不同，来添加炭黑的比例造出不同的混凝土“电池”。不仅如此，在风力发电场中，它可以用于风力涡轮机的底座，这种混凝土还可以用来制造道路，可以在电动汽车经过该路面时为其提供非接触式充电。

但是水泥电池也存在一些超级电容器固有的缺点，例如存电量不足、工作电压较低等挑战，只要克服这些困难，“混凝土电池”才会落地有望。很多人的“家”，也能变成小型发电站了。说实话，我还挺期待这一天到来的呢。

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