目前，世界各國都設(shè)定了在未來幾十年內(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，太陽照射的時間不固定，風(fēng)速也并不總是在需要時增強(qiáng)。隨著可再生能源的快速增長，一個基本問題隨之而來：如何將這些能源存儲以便日常使用?

最近，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊正在開發(fā)一種混凝土電池儲能系統(tǒng)，這種系統(tǒng)由三種簡單的成分構(gòu)成：炭黑、水和水泥。聽起來像科幻小說，但該團(tuán)隊正在實現(xiàn)捕獲屋頂太陽能并將其儲存在混凝土建筑基礎(chǔ)中，以便隨時使用。

可再生能源的波動與鋰資源的枯竭

風(fēng)電場的安裝正在快速增長，擴(kuò)展到海洋上的浮動設(shè)施和高海拔地區(qū)，以捕捉高速風(fēng)流。隨著政府補(bǔ)貼激勵對無碳能源的轉(zhuǎn)型，太陽能也在不斷擴(kuò)大其應(yīng)用。然而，當(dāng)風(fēng)能和太陽能資源波動時，它們可能對依賴這些資源的能源系統(tǒng)造成危險挑戰(zhàn)。

在2021年，歐洲經(jīng)歷了自1979年以來最弱的風(fēng)力，這種可再生能源資源的突然下降使電價飆升至前所未有的水平。2019年，英國遭遇了大規(guī)模停電，影響超過一百萬用戶，當(dāng)時霍恩西1號海上風(fēng)電設(shè)施出現(xiàn)了一系列故障和問題。在2021年臭名昭著的德克薩斯冬季風(fēng)暴停電事件之后，許多人簡單聲稱風(fēng)力渦輪機(jī)“凍結(jié)”，而沒有考慮到多個變量，包括德克薩斯人急需供暖時風(fēng)速顯著降低。

這些例子表明，需要有效存儲可再生能源以供日后使用。存儲可再生能源的行業(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)計將對鋰離子電池的生產(chǎn)產(chǎn)生重大影響，而這種電池對電動汽車和可再生能源儲存至關(guān)重要。全球?qū)︿嚨男枨蟪^供應(yīng)，價格在過去一年中飆升超過400%。在智利和塞爾維亞等主要鋰生產(chǎn)國，環(huán)境問題和監(jiān)管挑戰(zhàn)進(jìn)一步加劇了這一問題，可能導(dǎo)致長期供給短缺和電池生產(chǎn)成本上升。未來的道路必須包括鋰離子電池的替代方案。

混凝土超級電容器的解決方案

麻省理工學(xué)院研究人員開創(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。它可以緩解鋰市場的壓力，并有助于支持更大規(guī)模的可再生能源高效存儲項目。

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電容器，是一種能夠存儲大量電荷的增強(qiáng)型電容器。電容器是由兩個導(dǎo)電板和一個電解質(zhì)及膜分隔而成的基本設(shè)備。施加電壓會使離子在兩塊相對的板上積聚，形成電場并存儲電荷。當(dāng)需要時，這些電荷可以迅速釋放。電容器的儲能能力取決于其板的表面積。

麻省理工學(xué)院團(tuán)隊的超級電容器采用高內(nèi)表面積的水泥基材料。他們通過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，使其能夠高效存儲和釋放大量電荷，從而成為一種強(qiáng)大的超級電容器。

該混凝土電池系統(tǒng)可以為一個10瓦的LED燈供電約30小時。雖然這個儲能能力似乎遠(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存足夠的能量來供電住宅。

在工程師們對鋰離子電池進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)的同時，完全不同的電池系統(tǒng)，如這種混凝土超級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)增長要求能源儲存領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新，麻省理工學(xué)院團(tuán)隊正在重新構(gòu)想未來的電池儲存可能性。