麻省理工学院的新发现可以让枝晶无害化 带来更安全、更轻的锂电池

麻省理工学院的新发现可以让枝晶无害化带来更安全、更轻的锂电池这一潜在的电池技术飞跃的关键是用更薄、更轻的固体陶瓷材料层取代位于正负电极之间的液体电解质，并用固体金属锂取代其中一个电极。这将大大减少电池的整体尺寸和重量，并消除与液体电解质相关的安全风险，因为液体电解质是易燃的。但是这一探索一直被一个大问题所困扰：枝晶。枝晶的名称来自拉丁文的树枝，它是金属的突起，可以在锂的表面堆积，并渗透到固体电解质中，最终从一个电极穿越到另一个电极，使电池单元短路。研究人员一直未能就产生这些金属丝的原因达成一致，在如何防止这些金属丝，从而使轻质固态电池成为一种实用的选择方面也没有什么进展。最近，麻省理工学院教授Yet-MingChiang、研究生ColeFincher以及麻省理工学院和布朗大学的其他五人在《焦耳》杂志上发表了一篇新的研究，似乎解决了什么导致枝晶形成的问题。它还显示了如何防止树枝状突起穿过电解质。Chiang说，在该小组的早期工作中，他们有一个"令人惊讶和意外"的发现，即固态电池所使用的坚硬的固体电解质材料在电池充电和放电的过程中，由于锂离子在双方之间移动，可以被锂穿透，而锂是一种非常柔软的金属。离子的这种来回穿梭导致电极的体积变化。这不可避免地导致固体电解质的应力，它必须与夹在中间的两个电极保持完全接触。"为了沉积这种金属，体积必须扩大，因为你在增加新的质量，因此，在锂被沉积的电池一侧体积会增加。如果有哪怕是微小的缺陷存在，这将对这些缺陷产生压力，从而导致开裂。"该团队现在已经表明，这些压力会导致裂缝，使枝晶形成。这个问题一贯以来的解决方案是以正确的方向和适量的力施加更多的压力。虽然以前一些研究人员认为枝晶是由一个纯粹的电化学过程形成的，而不是一个机械过程，但该团队的实验证明，是机械应力导致了这个问题。枝晶的形成过程通常发生在电池单元不透明材料的深处，无法直接观察到，因此芬奇开发了一种使用透明电解质制造薄电池的方法，使整个过程可以直接看到和记录。这样一来在解决问题的过程中可以看到对系统施加压力时发生了什么，可以看到枝晶的行为是否与腐蚀过程或断裂过程相称。研究小组证明，他们可以直接操纵枝晶的生长，只需施加和释放压力，使枝晶与力的方向完全一致。对固体电解质施加机械压力并不能消除枝晶的形成，但它确实控制了它们的生长方向。这意味着它们可以被引导到与两个电极保持平行，并防止它们跨越到另一侧，从而变得无害。在他们的测试中，研究人员使用了通过弯曲材料而产生的压力，这些材料被制成了一端有重量的梁。但他们说，在实践中，可能有许多不同的方式来产生所需的压力。例如，电解质可以用两层具有不同热膨胀量的材料制成，这样就有了材料固有的弯曲，就像在一些恒温器中做的那样。另一种方法是在材料中"掺入"原子，这些原子会嵌入材料中，使其变形，并使其处于永久受压状态。Chiang解释说，这与生产智能手机和平板电脑屏幕中使用的超硬玻璃的方法相同。而且所需的压力量并不极端：实验表明，150至200兆帕的压力足以阻止枝晶质穿过电解质。所需的压力"与商业薄膜生长过程和许多其他制造过程中通常引起的压力相称"，因此在实践中应该不难实现。事实上，一种不同的压力，称为堆积压力经常被应用于电池单元，通过在垂直于电池板的方向上挤压材料--有点像通过在上面放一个重物来压缩一个三明治。人们认为这可能有助于防止电池层的分离。但现在的实验表明，该方向的压力实际上加剧了枝晶的形成，实际上加速了枝晶引起的电池劣化。相反，需要的是沿板材平面的压力，就像夹层从侧面被挤压一样。当施加一个压缩力时，可以迫使枝晶沿着压缩的方向移动，如果这个方向是沿着板的平面，枝晶将永远不会到达另一边。这可能最终使使用固体电解质和金属锂电极生产电池成为现实。这些电池不仅可以在给定的体积和重量中储存更多的能量，而且还可以消除对液体电解质的需求，因为液体电解质是易燃材料。在证明了相关的基本原理之后，该团队的下一步将是尝试将这些原理应用于创建一个功能性的原型电池，然后弄清楚需要什么样的制造工艺才能大量生产这种电池。尽管他们已经申请了专利，但研究人员并不打算自己将该系统商业化，他说，因为已经有公司在开发固态电池。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1338655.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1338655.htm

麻省理工学院揭幕"质子之舞"： 开拓能源新时代

麻省理工学院揭幕"质子之舞"：开拓能源新时代麻省理工学院的化学家们首次详细描绘了这些质子耦合电子转移是如何在电极表面发生的。他们的研究成果可以帮助研究人员设计出更高效的燃料电池、电池或其他能源技术。麻省理工学院化学和化学工程教授、该研究的资深作者YogeshSurendranath说："我们在这篇论文中取得的进展是研究和理解了这些电子和质子如何在表面部位耦合的性质，这与催化反应有关，而催化反应在能量转换装置或催化反应中非常重要。"在他们的研究成果中，研究人员能够准确追踪电极周围电解质溶液pH值的变化如何影响电极内质子运动和电子流动的速度。麻省理工学院研究生诺亚-刘易斯（NoahLewis）是这篇论文的第一作者，论文最近发表在《自然-化学》上。麻省理工学院前博士后RyanBisbey、麻省理工学院研究生KarlWestendorff和耶鲁大学研究科学家AlexanderSoudackov也是这篇论文的作者。质子传递质子耦合电子转移是指一种分子（通常是水或酸）将质子转移到另一种分子或电极表面，从而刺激质子接受者也接受一个电子。这种反应已被广泛应用于能源领域。"这些质子耦合电子转移反应无处不在。它们通常是催化机制中的关键步骤，对于制氢或燃料电池催化等能量转换过程尤为重要，"Surendranath说。在制氢电解槽中，这种方法用于从水中去除质子，并在质子上添加电子以形成氢气。在燃料电池中，当质子和电子从氢气中移出并加入氧气形成水时，就会产生电能。施加电势会导致质子从氢离子（右图）转移到电极表面。利用具有分子定义质子结合位点的电极，麻省理工学院的研究人员为这些界面质子耦合电子转移反应建立了一个通用模型。图片来源：研究人员提供质子耦合电子转移在许多其他类型的化学反应中都很常见，例如二氧化碳还原（通过添加电子和质子将二氧化碳转化为化学燃料）。当质子接受体是分子时，科学家们可以精确控制每个分子的结构，并观察电子和质子如何在分子间传递，因此他们已经对这些反应的发生过程有了很多了解。然而，当质子耦合电子转移发生在电极表面时，这一过程就更难研究了，因为电极表面通常非常异质，质子有可能与许多不同的位点结合。为了克服这一障碍，麻省理工学院的研究小组开发出一种设计电极表面的方法，使他们能够更精确地控制电极表面的组成。他们的电极由石墨烯薄片组成，表面附着有机含环化合物。每个有机分子的末端都有一个带负电荷的氧离子，它可以接受周围溶液中的质子，从而使电子从电路流入石墨表面。Surendranath说："我们可以创造出一种电极，它不是由各种各样的位点组成，而是由单一类型的非常明确的位点组成的统一阵列，每个位点都能以相同的亲和力结合质子。由于我们拥有这些非常明确的位点，这让我们能够真正揭示这些过程的动力学"。利用这个系统，研究人员能够测量流向电极的电流，从而计算出平衡状态下质子向表面氧离子转移的速率--质子向表面捐赠的速率和质子从表面转移回溶液的速率相等的状态。他们发现，周围溶液的pH值对这一速率有显著影响：最高速率出现在pH值的两端--酸性最强的pH值为0，碱性最强的pH值为14。为了解释这些结果，研究人员根据电极可能发生的两种反应建立了一个模型。在第一种反应中，强酸性溶液中高浓度的氢离子（H3O+）将质子传递给表面的氧离子，生成水。在第二种情况下，水将质子传递给表面氧离子，生成氢氧根离子（OH-），氢氧根离子在强碱性溶液中浓度较高。不过，pH值为0时的速度比pH值为14时的速度快四倍，部分原因是氢离子释放质子的速度比水快。需要重新考虑的反应研究人员还惊奇地发现，这两个反应的速率并不是在中性pH值为7（氢铵和氢氧根的浓度相等）时相等，而是在pH值为10（氢氧根离子的浓度是氢铵的100万倍）时相等。该模型表明，这是因为涉及氢𬭩或水提供质子的前向反应比涉及水或氢氧化物去除质子的后向反应对总速率的贡献更大。研究人员说，关于这些反应如何在电极表面发生的现有模型假定，前向反应和后向反应对总速率的贡献相同，因此新发现表明，可能需要重新考虑这些模型。Surendranath说："这是默认的假设，即正向和逆向反应对反应速率的贡献相同。我们的发现确实令人大开眼界，因为这意味着人们用来分析从燃料电池催化到氢进化等一切问题的假设可能是我们需要重新审视的。"研究人员目前正在利用他们的实验装置研究向电极周围的电解质溶液中添加不同类型的离子会如何加快或减慢质子耦合电子流的速度。刘易斯说："通过我们的系统，我们知道我们的位点是恒定的，不会相互影响，因此我们可以读出溶液的变化对表面反应的影响。"编译自//scitechdaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1424095.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1424095.htm

麻省理工学院的新型无钴有机电池材料将为电动汽车带来革命性变革

麻省理工学院的新型无钴有机电池材料将为电动汽车带来革命性变革在一项新的研究中，研究人员表明，这种材料的生产成本远远低于含钴电池，其导电率与钴电池相似。研究人员报告说，这种新型电池的储电量也与钴电池相当，而且充电速度也比钴电池快。麻省理工学院W.M.Keck能源学教授MirceaDincă说："我认为这种材料可以产生很大的影响，因为它的效果非常好。它与现有技术相比已经很有竞争力，而且它可以节省大量成本，并避免目前用于电池的金属开采所带来的痛苦和环境问题。"Dincă是这项研究的资深作者，研究报告最近发表在《ACSCentralScience》杂志上。23岁的陈天阳博士和麻省理工学院前博士后哈里什-班达（HarishBanda）是论文的主要作者。其他作者包括麻省理工学院博士后王建德、麻省理工学院研究生朱利叶斯-奥本海姆（JuliusOppenheim）和博洛尼亚大学研究员亚历山德罗-弗朗切斯基（AlessandroFranceschi）。大多数电动汽车都由锂离子电池驱动，这种电池的充电原理是锂离子从一个正电极（称为阴极）流向一个负电极（称为阳极）。在大多数锂离子电池中，阴极都含有钴，这是一种具有高稳定性和高能量密度的金属。然而，钴也有很大的缺点。钴是一种稀缺金属，其价格会大幅波动，而且世界上大部分钴矿床都位于政局不稳的国家。钴的开采会造成危险的工作环境，并产生有毒废物，污染矿区周围的土地、空气和水源。"钴电池可以储存大量的能量，在性能方面也具备人们所关心的所有特性，但它们存在供应不广的问题，而且成本会随着商品价格而大幅波动。"Dincă说："随着消费市场中电气化汽车的比例越来越高，成本肯定会越来越高。"由于钴有这样那样的缺点，因此人们进行了大量研究，试图开发替代电池材料。其中一种材料是磷酸铁锂（LFP），一些汽车制造商已开始在电动汽车中使用这种材料。尽管锂-铁-磷酸酯电池仍有实际用途，但其能量密度只有钴和镍电池的一半左右。另一种有吸引力的选择是有机材料，但迄今为止，大多数此类材料在导电性、存储容量和使用寿命方面都无法与含钴电池相媲美。由于导电率低，这类材料通常需要与聚合物等粘合剂混合，以帮助它们维持导电网络。这些粘合剂至少占整个材料的50%，会降低电池的存储容量。大约六年前，在兰博基尼的资助下，Dincă的实验室开始进行一个项目，开发一种可为电动汽车提供动力的有机电池。在研究部分有机、部分无机的多孔材料时，Dincă和他的学生意识到，他们制造的一种完全有机的材料似乎是一种强导体。这种材料由多层TAQ（双四氨基苯醌）组成，TAQ是一种有机小分子，含有三个融合的六角环。这些层可以向各个方向延伸，形成类似石墨的结构。分子中含有称为醌和胺的化学基团，前者是电子库，后者有助于材料形成牢固的氢键。这些氢键使材料高度稳定，同时也非常不溶解。这种不溶性非常重要，因为它可以防止材料像某些有机电池材料那样溶解到电池电解液中，从而延长其使用寿命。Dincă说："有机材料降解的主要方法之一是溶解到电池电解液中，并进入电池的另一端，从而形成短路。如果使材料完全不溶解，这个过程就不会发生，因此我们可以在最少降解的情况下进行2000多个充电循环。Dincă对这种材料的测试表明，其导电性和存储容量与传统的含钴电池相当。此外，与现有电池相比，使用TAQ阴极的电池充放电速度更快，可加快电动汽车的充电速度。为了稳定有机材料并提高其附着在铜或铝制成的电池集流器上的能力，研究人员添加了纤维素和橡胶等填充材料。这些填料占整个阴极复合材料的比例不到十分之一，因此不会显著降低电池的存储容量。这些填料还能在电池充电时防止锂离子流入阴极，从而延长电池阴极的使用寿命。制造这种阴极所需的主要材料是一种醌前体和一种胺前体，它们作为商品化学品已经在市场上大量供应和生产。研究人员估计，组装这些有机电池的材料成本大约是钴电池成本的三分之一到二分之一。兰博基尼已经获得了这项技术的专利许可。Dincă的实验室计划继续开发替代电池材料，并正在探索用钠或镁替代锂的可能性，因为钠或镁比锂更便宜、更丰富。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1419217.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1419217.htm

麻省理工学院的工程师们培育出"完美"的仅有原子厚度的材料

麻省理工学院的工程师们培育出"完美"的仅有原子厚度的材料再来谈谈二维材料-精致的、二维的完美晶体片，其厚度只有一个原子。在纳米尺度上，二维材料可以比硅更有效地传导电子。因此，寻找下一代晶体管材料的工作集中在二维材料上，作为硅的潜在继承者。但是在电子工业能够过渡到二维材料之前，科学家们必须首先找到一种方法，在工业标准的硅片上安放这些材料，同时保留其完美的结晶形式。而麻省理工学院的工程师现在可能有一个解决方案。该团队已经开发出一种方法，可以使芯片制造商通过在现有的硅和其他材料的晶圆上生长，用二维材料制造出更小的晶体管。这种新方法是一种"非外延式单晶生长"的形式，该团队首次使用这种方法在工业硅晶圆上生长出纯净的、无缺陷的完美二维材料。通过他们的方法，研究小组用一种叫做过渡金属二氯化物（TMDs）的二维材料制造了一个简单的功能晶体管，众所周知，这种材料在纳米尺度上的导电性能比硅更好。麻省理工学院机械工程系副教授JeehwanKim说："我们预计我们的技术可以使基于二维半导体的高性能下一代电子设备得到发展。我们已经解开了一个使用二维材料追赶摩尔定律的方法。"Kim和他的同事在最近发表于《自然》杂志的一篇论文中详细介绍了他们的方法。这项研究的麻省理工学院合作者包括KiSeokKim、DoyoonLee、CelestaChang、SeunghwanSeo、HyunseokKim、JihoShin、SanghoLee、JunMinSuh和Bo-InPark，以及德克萨斯大学达拉斯分校、加州大学河滨分校、圣路易斯华盛顿大学和韩国各地机构的合作者。通过在涂有"掩膜"的晶圆上沉积原子（左上），麻省理工学院的工程师可以将原子聚集在掩膜的各个口袋里（中间），并鼓励原子生长成完美的二维单晶层（右下）。资料来源：JeehwanKim,KiSeokKim,et.晶体拼接为了生产二维材料，研究人员通常采用手工工艺，将原子厚度的薄片从块状材料中小心翼翼地剥离出来，就像剥去洋葱的一层。但是大多数块状材料是多晶体的，包含多个以随机方向生长的晶体。在一个晶体与另一个晶体相遇的地方，"晶界"就像一个电障。任何流经一个晶体的电子在遇到一个不同方向的晶体时突然停止，从而抑制了材料的导电性。即使在剥离二维薄片后，研究人员也必须在薄片上寻找"单晶"区域--这是一个繁琐而耗时的过程，很难在工业规模上应用。最近，研究人员发现了其他制造二维材料的方法，即在蓝宝石晶片上生长二维材料--一种具有六角形原子图案的材料，它推动二维材料以相同的单晶方向组装。"但在内存或逻辑行业中没有人使用蓝宝石，"Kim说。"所有的基础设施都是基于硅的。对于半导体加工，你需要使用硅晶圆。"然而，硅晶圆缺乏蓝宝石的六边形支撑支架。当研究人员试图在硅上生长二维材料时，其结果是晶体的随机拼凑，胡乱地合并，形成许多阻碍导电性的晶界。"人们认为在硅上生长单晶二维材料几乎是不可能的，"Kim说。"现在我们表明它可以，我们的诀窍是从源头防止形成晶界。"“种子袋”该团队新的"非外延式单晶生长"不需要剥离和搜索二维材料的薄片。相反，研究人员使用传统的气相沉积方法，将原子抽过硅片。原子最终在晶圆上"定居"并形成晶核，直接生长为二维晶体方向。如果不加处理，每个"核"或晶体的种子将在硅片上以随机的方向生长。但是Kim和他的同事们找到了一种方法，使每个生长中的晶体对齐，在整个硅片上形成单晶区域。为了做到这一点，他们首先在硅片上覆盖了一层"掩膜"-一层二氧化硅涂层，他们将其图案化为微小的口袋，每一个口袋都被设计用来捕获一个晶体种子。然后，他们在被遮蔽的硅片上流淌着原子的气体，这些原子沉淀在每个口袋里，形成一种二维材料--在这种情况下是一种过渡金属二氯化物。掩膜的口袋聚集了原子，并鼓励它们以相同的单晶方向在硅片上组装。"这是一个非常令人震惊的结果，"Kim说，"到处都有单晶生长，即使2D材料和硅片之间没有外延关系。"利用他们的遮蔽方法，该团队制造了一个简单的TMD晶体管，并显示其电气性能与相同材料的纯片一样好。他们还应用该方法设计了一个多层器件。在用图案化的掩模覆盖硅片后，他们生长出一种二维材料来填充每个方块的一半，然后在第一层上生长出第二种二维材料来填充其余方块。结果是在每个方块内形成了超薄的单晶双层结构，往后，多种二维材料可以通过这种方式生长并堆叠在一起，以制造超薄、灵活和多功能的薄膜。"直到现在，还没有办法在硅片上以单晶形式制造二维材料，因此整个社区几乎放弃了为下一代处理器追求二维材料，"Kim说。"现在我们已经完全解决了这个问题，有了制造小于几纳米的器件的方法。这将改变摩尔定律的范式"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1343087.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1343087.htm

麻省理工学院的研究人员实现在硅片上直接生长出晶体管

麻省理工学院的研究人员实现在硅片上直接生长出晶体管麻省理工学院的团队克服了这一挑战，创造了一种低温生长工艺，保留了芯片的完整性，使二维半导体晶体管可以直接集成在标准硅电路之上。新方法在整个8英寸晶圆上生长出一个光滑、高度均匀的层，而不像以前的方法，在将二维材料转移到芯片或晶圆之前，要在其他地方生长二维材料。这一过程经常导致不完美，对设备和芯片性能产生负面影响。此外，这项新技术可以在不到一个小时的时间里在8英寸晶圆上生长出一层均匀的TMD材料，与以前的方法相比，这是一个重大的改进，因为以前的方法需要一天以上的时间才能完成一个单层。这项技术的增强的速度和均匀性使它适合于商业应用，因为8英寸或更大的晶圆是必不可少的。研究人员专注于二硫化钼，一种灵活、透明的二维材料，具有强大的电子和光子特性，是半导体晶体管的理想选择。他们为金属有机化学气相沉积工艺设计了一种新炉子，它有独立的低温和高温区域。硅片被放置在低温区，同时气化的钼和硫前体流入炉内。钼保持在低温区，而硫前体在高温区分解，然后流回低温区，在硅片表面生长出二硫化钼。人工智能、汽车和高性能计算等新兴应用要求计算非常密集，而堆叠晶体管可能是一个挑战。这种新方法对行业有重大影响，能够快速、有效地将二维材料整合到工业制造中。未来的发展包括对该技术进行微调，以生长多层二维晶体管，并探索柔性表面的低温生长工艺，如聚合物、纺织品，甚至是纸张。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1357631.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1357631.htm

储能领域的新突破：麻省理工学院工程师用古老材料制造出超级电容器

储能领域的新突破：麻省理工学院工程师用古老材料制造出超级电容器麻省理工学院的工程师们用古老而丰富的材料制造出了一种"超级电容器"，可以储存大量能量。这种装置仅由水泥、水和炭黑（类似于木炭粉末）制成，可作为储存间歇性可再生能源（如太阳能或风能）的廉价系统的基础。图片来源：Franz-JosefUlm、AdmirMasic和Yang-ShaoHorn提供研究人员发现，这两种材料可以与水结合，制成超级电容器（电池的替代品），从而提供电能存储。开发该系统的麻省理工学院研究人员举例说，他们的超级电容器最终可以安装在房屋的混凝土地基中，这样就可以储存一整天的电能，同时几乎不增加（或减少）地基的成本，还能提供所需的结构强度。研究人员还设想了一种混凝土路面，可以在电动汽车经过该路面时为其提供非接触式充电。麻省理工学院教授弗朗茨-约瑟夫-乌尔姆（Franz-JosefUlm）、阿米尔-马西奇（AdmirMasic）和杨-邵-霍恩（Yang-ShaoHorn）以及麻省理工学院和威斯研究所的其他四位教授在最近发表在《美国科学院院刊》（PNAS）上的一篇论文中介绍了这项简单而创新的技术。从原理上讲，电容器是一种非常简单的装置，它由浸在电解液中的两块导电板组成，中间用薄膜隔开。当在电容器上施加电压时，电解液中的正电离子会聚集在带负电的板上，而带正电的板则会聚集带负电的离子。由于板间的薄膜阻挡了带电离子的迁移，电荷的分离在板间产生了电场，电容器就带电了。两块极板可以长时间保持这对电荷，并在需要时迅速释放电荷。超级电容器是一种能够存储超大电荷的电容器。电容器可存储的电量取决于其导电板的总表面积。该研究小组开发的新型超级电容器的关键在于一种生产水泥基材料的方法，由于水泥基材料的体积内存在密集、相互连接的导电材料网络，因此这种材料具有极高的内表面积。研究人员将导电性极强的炭黑与水泥粉和水一起引入混凝土混合物中，并让其固化，从而实现了这一目标。水与水泥反应后，自然会在结构上形成一个由开口组成的分支网络，而碳则会迁移到这些空间中，在硬化的水泥中形成类似导线的结构。这些结构具有类似分形的结构，较大的分枝长出较小的分枝，这些分枝又长出更小的分枝，如此循环，最终在相对较小的体积内形成了极大的表面积。然后，将这种材料浸泡在标准电解质材料（如氯化钾，一种盐）中，从而在碳结构上积聚带电粒子。研究人员发现，由这种材料制成的两个电极之间隔着一层薄薄的空间或绝缘层，可以形成一个非常强大的超级电容器。由于这种新型"超级电容器"混凝土可以保持强度，因此用这种材料做地基的房屋可以储存太阳能电池板或风车一天所产生的能量，并在需要时随时使用。图片来源：Franz-JosefUlm、AdmirMasic和Yang-ShaoHorn提供电容器的两块极板就像电压相当的充电电池的两极：与电池一样，当连接到电源时，能量会储存在极板中，然后当连接到负载时，电流会流回，从而提供电能。"这种材料令人着迷，"马西奇说，"因为你拥有世界上最常用的人造材料--水泥，它与炭黑结合在一起，而炭黑是一种众所周知的历史材料--《死海古卷》就是用它写成的。你拥有这些至少有两千年历史的材料，当你以特定的方式将它们结合在一起时，就会产生一种导电纳米复合材料，这时事情就变得非常有趣了。"他说："随着混合物的凝固和固化，水会通过水泥水化反应被系统地消耗掉，而这种水化反应会从根本上影响纳米碳粒子，因为它们是疏水的（拒水）。随着混合物的演变，炭黑会自组装成一根相连的导电线。这种工艺很容易复制，使用的材料价格低廉，在世界上任何地方都可以买到。实现渗碳网络所需的碳量非常少，仅占混合物体积的3%。"用这种材料制成的超级电容器在帮助世界向可再生能源过渡方面潜力巨大。无排放能源的主要来源--风能、太阳能和潮汐能--都是在不固定的时间输出的，往往与用电高峰期不一致，因此储存电能的方法至关重要。"现在非常需要大型能源存储设备，现有的电池过于昂贵，而且主要依赖锂等材料，而锂的供应有限，因此急需更便宜的替代品。"乌尔姆说："这正是我们的技术极具前景的地方，因为水泥无处不在。"研究小组计算出，一块45立方米（或码）大小的掺有纳米碳黑的混凝土（相当于一个直径约3.5米的立方体）足以存储约10千瓦时的能量，这相当于一个家庭平均每天的用电量。由于混凝土可以保持强度，因此用这种材料做地基的房屋可以储存太阳能电池板或风车一天的发电量，并在需要时随时使用。而且，超级电容器的充放电速度比电池快得多。经过一系列测试，确定了水泥、炭黑和水的最有效配比后，研究小组制作了小型超级电容器，与一些纽扣电池差不多大小，直径约1厘米，厚约1毫米，每个都能充至1伏特，相当于1伏特的电池。然后，他们连接了三个这样的电池，演示了它们点亮3伏发光二极管（LED）的能力。在证明了这一原理后，他们现在计划制造一系列更大的版本，从与典型的12伏汽车电池大小相当的版本开始，然后逐步扩大到45立方米的版本，以展示其存储一屋电力的能力。他们发现，这种材料的储存能力与其结构强度之间存在着折衷。通过添加更多的炭黑，产生的超级电容器可以存储更多的能量，但混凝土的强度会稍弱一些，这对于混凝土不发挥结构作用或不需要混凝土的全部强度潜力的应用可能是有用的。他们发现，对于地基或风力涡轮机底座结构件等应用，"最佳点"是混合物中约10%的碳黑。碳水泥超级电容器的另一个潜在应用是建造混凝土路面，这种路面可以储存路边太阳能电池板产生的能量，然后利用无线充电手机使用的同类技术将能量输送给沿路行驶的电动汽车。德国和荷兰的公司已经在开发一种相关的汽车充电系统，但使用的是标准电池。研究人员说，这种技术的最初用途可能是远离电网的孤立住宅、建筑或避难所，可以由连接在水泥超级电容器上的太阳能电池板供电。该系统具有很强的可扩展性，因为储能容量是电极体积的直接函数。乌尔姆说："可以从1毫米厚的电极扩展到1米厚的电极，通过这样做，基本上可以将储能能力从点亮LED几秒钟扩展到为整栋房子供电。"根据特定应用所需的特性，可以通过调整混合物来调整系统。对于汽车充电道路来说，需要非常快的充放电速度，而对于家庭供电来说有一整天的时间来充电，因此可以使用充电速度较慢的材料。因此，这确实是一种多功能材料。除了能以超级电容器的形式储存能量外，同一种混凝土混合物还可用作加热系统，只需向含碳混凝土通电即可。乌尔姆认为这是"展望混凝土作为能源转型一部分的未来的一种新方式"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1387965.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1387965.htm