混凝土早已是构筑我们世界的基础，如今，它离“为世界供能”也更近了一步。MIT研究团队通过将水泥、水、超细碳黑（含纳米级颗粒）与电解质相结合，创造出一种可导电的碳基混凝土——electron-conducting carbon concrete（简称 ec(3)，读作“e-c-cubed”）。 图片来源：MIT EC³ Hub 这种材料在混凝土内部形成导电的“纳米网络”，使得墙壁、人行道、桥梁等日常结构有可能储存并释放电能。换句话说，我们身边的混凝土，有朝一日可能会成为巨大的“电池”。 MIT研究人员在最新发表于《PNAS》期刊的论文中报告称，通过优化电解质和制造工艺，他们将新一代ec(3)超级电容器的储能容量提升了一个数量级。2023年，要满足一户普通家庭的日常用电需求，大约需要45立方米的ec(3)——这大致相当于一个普通地下室的混凝土用量。而如今，得益于改进的电解质，只需约5立方米（即一面典型地下室墙体的体积）即可达到同样的储能效果。 MIT土木与环境工程系副教授、EC³ Hub联合主任、该研究论文的第一作者Admir Masic表示：“混凝土的可持续性关键在于开发‘多功能混凝土’，将储能、自愈、碳封存等功能整合在一起。混凝土已经是全球使用量最大的建筑材料，为什么不利用这一规模优势，带来更多额外的好处呢？” Admir Masic 麻省理工学院（MIT）土木与环境工程系副教授、EC³ Hub联合主任。主要研究多功能混凝土、自愈合与碳封存材料，以及从古代建筑材料中汲取灵感的可持续工程技术。他致力于让建筑材料具备储能等新功能，并通过MIT ReACT计划推动教育公平与社会创新。 储能密度的提升，源于研究团队对ec(3)中纳米级碳黑网络结构及其与电解质相互作用的深入理解。团队使用聚焦离子束（Focused Ion Beam, FIB）技术逐层去除ec(3)材料的薄层，并用扫描电子显微镜（SEM）对每一层进行高分辨率成像。这种称为FIB-SEM断层扫描的技术，使MIT EC³ Hub与Concrete Sustainability Hub的研究人员能够以前所未有的分辨率重建导电纳米网络结构。 他们发现，这种网络本质上是一个分形状的“网状结构”，包围着ec(3)内部的孔隙，从而让电解质渗入其中，并使电流能顺利流通系统。 电解质的创新：从海水到有机溶液 在理解结构机理后，团队开始尝试不同种类与浓度的电解质，观察其对储能密度的影响。论文第一作者、EC³ Hub研究科学家Damian Stefaniuk指出：“我们发现，有相当多种电解质都可用于ec(3)，甚至包括海水。这意味着它在沿海或海洋环境中有广阔应用前景，例如可作为海上风电场的支撑结构材料。” 与此同时，研究人员优化了电解质的加入方式——不再先固化ec(3)电极再浸泡电解质，而是直接将电解质加入混合用水中。这样一来，电解质渗透不再受限，电极可以铸造成更厚的结构，从而储存更多能量。 他们发现，使用有机电解质时性能最佳，尤其是那些由季铵盐（常见于消毒剂等日用品）与乙腈（一种透明且导电性良好的工业溶剂）组成的体系。一个立方米这种改良版ec(3)——约相当于一台冰箱大小——可储存超过2千瓦时的能量，足以让一台真正的冰箱运行整整一天。 从古罗马得到灵感：结构与功能的融合 Masic表示：“古罗马人在混凝土建筑方面取得了伟大的成就。像万神殿这样的庞大结构至今仍屹立不倒。如果我们延续他们将材料科学与建筑愿景结合的精神，那么像ec(3)这样的多功能混凝土，可能正站在建筑革命的门槛上。” 受罗马建筑启发，团队制作了一个微型ec(3)拱形结构，展示结构形态与储能功能如何结合。这个微型拱形装置在9伏电压下，不仅能支撑自身及额外负载，还能点亮LED灯。 但当拱的负载增加时，灯光会闪烁。这可能与应力对电接触或电荷分布的影响有关。Masic设想：“这或许意味着ec(3)具有某种自我监测能力。若在建筑尺度上使用ec(3)拱，当遇到大风等应力时，它的电输出可能会出现波动。我们可以将这种变化视为结构受力或健康状况的实时信号。” 迈向现实应用：让混凝土为世界供能 ec(3)技术的最新进展使其距离大规模应用更进一步。由于具备良好的导热性，它已在日本札幌被用于加热人行道板块，作为替代撒盐防冻的环保方案。 Stefaniuk解释道：“随着储能密度提升和应用范围拓展，我们现在拥有了一种强大而灵活的工具，可用于应对多种长期存在的能源挑战。我们最大的动力之一，就是推动可再生能源转型。以太阳能为例，它的效率已显著提升，但仍受限于日照。问题在于——夜晚或阴天，能源从哪里来？” EC³ Hub联合主任、MIT土木与环境工程教授Franz-Josef Ulm进一步指出：“答案在于储能与释放能量的能力。过去这通常意味着电池，但电池往往依赖稀缺或有害材料。我们认为ec(3)是可行的替代方案，让建筑与基础设施本身就能满足储能需求。” 团队正致力于探索更多应用场景，例如可为电动车充电的停车位与道路，以及完全脱离电网运行的住宅。 让古老的材料，做全新的事 论文合著者、康奈尔大学设计技术与材料科学副教授、前EC³ Hub研究员James Weaver总结道：“最让我们兴奋的是，我们让一种古老的材料——混凝土——实现了全新的功能。通过将现代纳米科学与人类文明的古老基石相结合，我们正打开一扇通往未来的门——那是一个基础设施不仅支撑我们的生活，更为生活提供能量的世界。” 参考资料：https://news.mit.edu/2025/concrete-battery-now-packs-ten-times-power-1001
纳米网络的秘密：能量密度的关键
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