用建房的混凝土板做蓄電池

能否用“100%的太陽能、風能+儲能”滿足所有的能源需求?直到最近，全世界還在為此爭論不休。其實，早就有國家級的實例證明，關(guān)鍵在于要有足夠的儲能系統(tǒng)。所以，儲能技術(shù)研究風靡世界。最近，美國《ASME》刊載新澤西州韋斯特菲爾德公司邁克爾·艾布拉姆斯(Michael Abrams)的文章說，可用建房的混凝土板做蓄電池，給間歇性的太陽能光伏“儲能”，有點兒使人“喜出望外”……

可再生混凝土可以儲存可再生能源發(fā)的電

如果我們的家庭和辦公室有一天要由間歇性的可再生能源供電，那么可能需要電池在太陽下山、風不吹時用電池保持供電。但蓄電池也有自己“非綠色”的缺點，其中最主要的是生產(chǎn)和運輸蓄電池的環(huán)境成本。如果我們的家庭和辦公室的墻壁能夠儲能，這些疑慮就會消失。

多虧最近瑞典查默斯理工大學(Chalmers University)博士后研究員張艾瑪(Emma Zhang)和這個大學建筑技術(shù)部的建筑材料教授唐魯平(Luping Tang)的工作，我們的房屋結(jié)構(gòu)可能很快就能給我們的家庭提供電力了。

張艾瑪現(xiàn)在是瑞典德爾塔公司負責產(chǎn)品開發(fā)的高級開發(fā)科學家，她創(chuàng)造的一塊9 x 9厘米、1厘米厚的可充電混凝土板，能量密度為每平米7 Wh。她說，“如果我們有個100平米的房子，有200平米混凝土墻、嵌板或地板，那就是個潛在的、200平米的混凝土蓄電池，大約每天可儲能2 kWh。”

混凝土蓄電池基于托馬斯·愛迪生電池的工作原理

這大約是單所房子平均日能耗的7.5 %，而且僅基于第一個原型。張艾瑪認為，產(chǎn)能還可加倍甚至三倍。她說，“下一步增加產(chǎn)能非常重要。”

張艾瑪試圖制造混凝土電池并不是首創(chuàng)。十年前，紐約州立大學布法羅分校(SUNY Buffalo)的材料科學家黛博拉·鐘(Deborah Chung)首次嘗試了這個概念。但她的電池產(chǎn)生的能量很少(1.42微瓦)，因為它只使用混凝土中的水作為電解質(zhì)，是不可充電的。張艾瑪決定在混合物中添加一些有傳導性的東西。她轉(zhuǎn)向了一種也可以用來加固混凝土的產(chǎn)品：碳纖維。她直接在混凝土中加入了切碎的短碳纖維。

她說，“我們測量了砂漿的電導率和可塑性。”“提升電導率，會失去可塑性。”碳纖維的最佳濃度在0.8-0.9 %之間。

這個蓄電池本質(zhì)上是一種三層混凝土的“三明治”。外層用涂層碳纖維網(wǎng)加強作為電極;陽極側(cè)有鐵，陰極側(cè)有鎳。張艾瑪說，“和托馬斯·愛迪生電池的原理完全相同。”“這是個非常強大的系統(tǒng)，可以承受過充和過放電，使用壽命非常長。與此同時，電池的容量低，但由于有大量的混凝土可以使用，這對混凝土蓄電池不是缺點。”

混凝土和碳纖維電池的結(jié)構(gòu)示意圖

其結(jié)果是個可以重復充電的蓄電池，這一發(fā)展可能會使混凝土電池快速走出研究階段，進入可用性領(lǐng)域。

因電流和電壓較低，腐蝕不是問題。她說，至少在一百年內(nèi)，在最壞的情況下，電極或?qū)щ娚皾{中碳纖維的腐蝕并不明顯。余熱也不大可能使任何用戶感覺不適。墻壁只會比環(huán)境溫度高幾度，不會使室溫上升。

更大的挑戰(zhàn)是在建筑物或蓄電池材料在準備退役時如何“再循環(huán)”。眾所周知，復合材料很難回收利用。她說，“再循環(huán)的一個解決方案是粉碎舊的混凝土電池，制造新的混凝土電池。” 最簡單的是粉碎，用作澆筑道路的骨料。

下一步是建“一米接一米”的版本，建個“樣板”工程。張艾瑪說，“我們必須看看它在現(xiàn)實生活中的表現(xiàn)如何。”“我的完美世界、我的夢想是：它能在幾年內(nèi)變?yōu)楝F(xiàn)實。如果其他研究人員對研究這個課題感興趣，還會發(fā)展得更快。”

依據(jù)資料：Michael Abrams, Using Concrete to Carry a Charge, ASME, Sep 2, 2021