水泥、碳黑變身超級電容器

THE MERIT TIMES

編譯／韋士塔 2023-08-19

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MIT研究團隊利用水泥、碳黑，製作超級電容器。圖／網路

超級電容器的儲電量比電池大，且使用上更安全。圖／網路

碳黑混凝土地基，可為電動車無線充電。圖／網路

碳黑混凝土地基，可降低能源儲存的成本。圖／網路

編譯／韋士塔

清潔能源轉型趨勢興起，世界各地的科學家正不斷研發相關新科技，包括能源生產效率、來源，希望協助各領域節能減碳，抑制地球暖化及氣候變遷；能源領域的發展還涉及一項關鍵技術，攸關清潔能源的轉型和普及，那就是能源儲存。

儲能技術是指把較難儲存的能源，轉換成技術上較容易儲存，且成本較低的形式，在需要時釋放使用；美國麻省理工學院（MIT）的研究團隊，近來嘗試使用傳統材料開發超級電容器，可望奠定新型低成本儲能系統的基礎。

MIT的教授烏爾姆（Franz-Josef Ulm）在《美國國家科學院院刊》（PNAS）發表的論文指出，水泥及碳黑（carbon black）是歷史悠久的材料，將這2種材料與水結合後，可製成超級電容器（supercapacitor）來取代電池。

電容器由2片浸入電解質的導電金屬板組成，中間由絕緣介質隔開；這種裝置可儲存電力並在需要用電時快速釋出，超級電容器則是可儲存超大量電荷的電容器。

烏爾姆教授表示，以水泥、碳黑製造的超級電容器應用範圍相當廣泛，例如：用於房屋或風力發電機的地基，為建築物、風力發電機儲存及供電，幾乎不會增加地基的成本；若用於鋪設道路的混凝土地基，未來有可能為行駛在這種道路上的電動車無線充電。

研究團隊指出，電容器的蓄電量，取決於導電板的總表面積。過去數十年來，研究人員一直嘗試把電容器整合進結構材料，例如：道路、建築物中使用的混凝土，或汽車、飛機機身使用的碳複合材料。超級電容器不僅儲存量比電池大，另一個更重要的特點是，超級電容器通常使用不易燃的電解質，使用時更安全。

然而，混凝土的主要成分水泥通常是不良電導體。近年來，一些研究小組嘗試在水泥摻入不同形式、高導電的碳（例如石墨烯或碳奈米管）來製造超級電容器，但烏爾姆指出，這些材料的性能良好，可是價格過於昂貴，難以大量生產。

為了突破這個瓶頸，尋找更便宜的替代品，烏爾姆的團隊嘗試使用古老的碳粉，也就是炭黑；這種材料又稱為炭煙，是在空氣不足的情況下，燃燒碳氫化合物得到的極細微碳黑粉，與廢氣分離後產生的純黑粉末。碳黑自古以來常被用作黑色顏料，價格便宜，且導電性很高。

烏爾姆的團隊把少量炭黑與水泥粉和水混合，炭黑顆粒會在硬化的水泥內形成長條狀捲鬚，類似電線的網路。把這種水泥切割成片狀，即可製造超級電容器。研究團隊估算，以炭黑水泥製作約45立方公尺的混凝土，相當於一戶標準住宅的地基用量，可儲存供一戶住家使用一整天的電力。

參與這項研究的馬西奇教授（Admir Masic）表示，碳黑水泥成本低廉，能為發展中國家減少再生能源儲存設備的支出，「這2種歷史悠久的古老材料結合在一起，讓我們進入全新的能源儲存領域」。

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