目前，世界各國(guó)都設(shè)定了在未來(lái)幾十年內(nèi)達(dá)到零碳排放的目標(biāo)。然而，可再生能源資源往往不穩(wěn)定，太陽(yáng)照射的時(shí)間不固定，風(fēng)速也并不總是在需要時(shí)增強(qiáng)。隨著可再生能源的快速增長(zhǎng)，一個(gè)基本問(wèn)題隨之而來(lái)：如何將這些能源存儲(chǔ)以便日常使用?

最近，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)一種混凝土電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，這種系統(tǒng)由三種簡(jiǎn)單的成分構(gòu)成：炭黑、水和水泥。聽(tīng)起來(lái)像科幻小說(shuō)，但該團(tuán)隊(duì)正在實(shí)現(xiàn)捕獲屋頂太陽(yáng)能并將其儲(chǔ)存在混凝土建筑基礎(chǔ)中，以便隨時(shí)使用。

可再生能源的波動(dòng)與鋰資源的枯竭

風(fēng)電場(chǎng)的安裝正在快速增長(zhǎng)，擴(kuò)展到海洋上的浮動(dòng)設(shè)施和高海拔地區(qū)，以捕捉高速風(fēng)流。隨著政府補(bǔ)貼激勵(lì)對(duì)無(wú)碳能源的轉(zhuǎn)型，太陽(yáng)能也在不斷擴(kuò)大其應(yīng)用。然而，當(dāng)風(fēng)能和太陽(yáng)能資源波動(dòng)時(shí)，它們可能對(duì)依賴這些資源的能源系統(tǒng)造成危險(xiǎn)挑戰(zhàn)。

在2021年，歐洲經(jīng)歷了自1979年以來(lái)最弱的風(fēng)力，這種可再生能源資源的突然下降使電價(jià)飆升至前所未有的水平。2019年，英國(guó)遭遇了大規(guī)模停電，影響超過(guò)一百萬(wàn)用戶，當(dāng)時(shí)霍恩西1號(hào)海上風(fēng)電設(shè)施出現(xiàn)了一系列故障和問(wèn)題。在2021年臭名昭著的德克薩斯冬季風(fēng)暴停電事件之后，許多人簡(jiǎn)單聲稱風(fēng)力渦輪機(jī)“凍結(jié)”，而沒(méi)有考慮到多個(gè)變量，包括德克薩斯人急需供暖時(shí)風(fēng)速顯著降低。

這些例子表明，需要有效存儲(chǔ)可再生能源以供日后使用。存儲(chǔ)可再生能源的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是鋰離子電池(Li-ion)。然而，鋰礦開(kāi)采和其他電池材料的獲取面臨諸多挑戰(zhàn)。

即將出現(xiàn)的鋰短缺預(yù)計(jì)將對(duì)鋰離子電池的生產(chǎn)產(chǎn)生重大影響，而這種電池對(duì)電動(dòng)汽車和可再生能源儲(chǔ)存至關(guān)重要。全球?qū)︿嚨男枨蟪^(guò)供應(yīng)，價(jià)格在過(guò)去一年中飆升超過(guò)400%。在智利和塞爾維亞等主要鋰生產(chǎn)國(guó)，環(huán)境問(wèn)題和監(jiān)管挑戰(zhàn)進(jìn)一步加劇了這一問(wèn)題，可能導(dǎo)致長(zhǎng)期供給短缺和電池生產(chǎn)成本上升。未來(lái)的道路必須包括鋰離子電池的替代方案。

混凝土超級(jí)電容器的解決方案

麻省理工學(xué)院研究人員開(kāi)創(chuàng)的混凝土電池系統(tǒng)是另一種電池替代品的潛在候選者。它可以緩解鋰市場(chǎng)的壓力，并有助于支持更大規(guī)模的可再生能源高效存儲(chǔ)項(xiàng)目。

這種電池的三種基本成分——水泥、炭黑和水——都便宜且廣泛可得，從而避免了跟上全球鋰需求的壓力。

這款電池是一種超級(jí)電容器，是一種能夠存儲(chǔ)大量電荷的增強(qiáng)型電容器。電容器是由兩個(gè)導(dǎo)電板和一個(gè)電解質(zhì)及膜分隔而成的基本設(shè)備。施加電壓會(huì)使離子在兩塊相對(duì)的板上積聚，形成電場(chǎng)并存儲(chǔ)電荷。當(dāng)需要時(shí)，這些電荷可以迅速釋放。電容器的儲(chǔ)能能力取決于其板的表面積。

麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)的超級(jí)電容器采用高內(nèi)表面積的水泥基材料。他們通過(guò)將炭黑與水泥和水混合，形成一種致密的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，完成了這種材料的制備。這種結(jié)構(gòu)類似于分形，提供了緊湊體積中的廣泛表面積。將這種材料浸泡在如氯化鉀的電解質(zhì)中，使其能夠高效存儲(chǔ)和釋放大量電荷，從而成為一種強(qiáng)大的超級(jí)電容器。

該混凝土電池系統(tǒng)可以為一個(gè)10瓦的LED燈供電約30小時(shí)。雖然這個(gè)儲(chǔ)能能力似乎遠(yuǎn)低于鋰離子電池，但這并未考慮到結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)中使用的大量混凝土。一座基礎(chǔ)在1060到1410立方英尺之間的建筑可以儲(chǔ)存足夠的能量來(lái)供電住宅。

在工程師們對(duì)鋰離子電池進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)的同時(shí)，完全不同的電池系統(tǒng)，如這種混凝土超級(jí)電容器的替代方案也是可以設(shè)想的?？稍偕茉促Y源的指數(shù)增長(zhǎng)要求能源儲(chǔ)存領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新，麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)正在重新構(gòu)想未來(lái)的電池儲(chǔ)存可能性。