创新型储能系统：混凝土电池能否为未来提供动力

目前，世界各国都设定了在未来几十年内达到零碳排放的目标。然而，可再生能源资源往往不稳定，太阳照射的时间不固定，风速也并不总是在需要时增强。随着可再生能源的快速增长，一个基本问题随之而来：如何将这些能源存储以便日常使用?

最近，麻省理工学院的研究团队正在开发一种混凝土电池储能系统，这种系统由三种简单的成分构成：炭黑、水和水泥。听起来像科幻小说，但该团队正在实现捕获屋顶太阳能并将其储存在混凝土建筑基础中，以便随时使用。

可再生能源的波动与锂资源的枯竭

风电场的安装正在快速增长，扩展到海洋上的浮动设施和高海拔地区，以捕捉高速风流。随着政府补贴激励对无碳能源的转型，太阳能也在不断扩大其应用。然而，当风能和太阳能资源波动时，它们可能对依赖这些资源的能源系统造成危险挑战。

在2021年，欧洲经历了自1979年以来最弱的风力，这种可再生能源资源的突然下降使电价飙升至前所未有的水平。2019年，英国遭遇了大规模停电，影响超过一百万用户，当时霍恩西1号海上风电设施出现了一系列故障和问题。在2021年臭名昭著的德克萨斯冬季风暴停电事件之后，许多人简单声称风力涡轮机“冻结”，而没有考虑到多个变量，包括德克萨斯人急需供暖时风速显著降低。

这些例子表明，需要有效存储可再生能源以供日后使用。存储可再生能源的行业标准是锂离子电池(Li-ion)。然而，锂矿开采和其他电池材料的获取面临诸多挑战。

电池容量随需求不断增加

即将出现的锂短缺预计将对锂离子电池的生产产生重大影响，而这种电池对电动汽车和可再生能源储存至关重要。全球对锂的需求超过供应，价格在过去一年中飙升超过400%。在智利和塞尔维亚等主要锂生产国，环境问题和监管挑战进一步加剧了这一问题，可能导致长期供给短缺和电池生产成本上升。未来的道路必须包括锂离子电池的替代方案。

混凝土超级电容器的解决方案

麻省理工学院研究人员开创的混凝土电池系统是另一种电池替代品的潜在候选者。它可以缓解锂市场的压力，并有助于支持更大规模的可再生能源高效存储项目。

这种电池的三种基本成分——水泥、炭黑和水——都便宜且广泛可得，从而避免了跟上全球锂需求的压力。

这款电池是一种超级电容器，是一种能够存储大量电荷的增强型电容器。电容器是由两个导电板和一个电解质及膜分隔而成的基本设备。施加电压会使离子在两块相对的板上积聚，形成电场并存储电荷。当需要时，这些电荷可以迅速释放。电容器的储能能力取决于其板的表面积。

超级电容器结构

麻省理工学院团队的超级电容器采用高内表面积的水泥基材料。他们通过将炭黑与水泥和水混合，形成一种致密的导电网络，完成了这种材料的制备。这种结构类似于分形，提供了紧凑体积中的广泛表面积。将这种材料浸泡在如氯化钾的电解质中，使其能够高效存储和释放大量电荷，从而成为一种强大的超级电容器。

该混凝土电池系统可以为一个10瓦的LED灯供电约30小时。虽然这个储能能力似乎远低于锂离子电池，但这并未考虑到结构基础中使用的大量混凝土。一座基础在1060到1410立方英尺之间的建筑可以储存足够的能量来供电住宅。

在工程师们对锂离子电池进行调整和改进的同时，完全不同的电池系统，如这种混凝土超级电容器的替代方案也是可以设想的。可再生能源资源的指数增长要求能源储存领域进行创新，麻省理工学院团队正在重新构想未来的电池储存可能性。