一塊水泥磚能給手機、汽車充電？是真的！5月9日，記者從東南大學了解到，由中國工程院院士、東南大學教授繆昌文和材料科學與工程學院教授周揚團隊研發(fā)的仿生自發(fā)電-儲能混凝土正式亮相。這項全球首創(chuàng)的技術直擊建筑行業(yè)高能耗痛點，將水泥從“能源消耗者”變?yōu)椤澳茉淳C合體”，實現(xiàn)自發(fā)電與自儲能的雙重突破。
歷時4年研發(fā)
讓水泥可發(fā)電、可儲能
“建筑行業(yè)的碳排放占社會碳排放總量的50%，能耗占比也超過45%以上?！敝軗P告訴記者，以太陽能光伏為代表的清潔能源技術，雖然可以有效地降低建筑碳排放，實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標，但是受天氣制約大、儲能成本高昂等短板也愈發(fā)凸顯。為了解決這些問題，周揚團隊依托重大基礎設施工程材料全國重點實驗室，在國家自然科學基金首批原創(chuàng)-探索項目的資助下，歷時4年研發(fā)了仿生自發(fā)電-儲能混凝土，涵蓋自發(fā)電水泥基超材料、自儲電水泥基超級電容器兩大技術模塊，讓混凝土這種世界上用量最大的建筑材料變?yōu)槟茉吹纳a者、儲存者。
記者在現(xiàn)場看到，團隊成員將4塊自發(fā)電水泥串聯(lián)在一起后，產生了3.1伏的電壓，LED燈泡隨即亮了起來。水泥為什么可以自發(fā)電？周揚向記者解釋到：“有溫差，自發(fā)電水泥材料就可以將熱能轉化為電能，做到持續(xù)發(fā)電。這樣便填補了清潔能源受天氣制約的供應缺口?！?。此外，自發(fā)電水泥在力學性能上同樣表現(xiàn)優(yōu)異，抗壓強度提升60%、韌性增強近10倍，破解了傳統(tǒng)熱電材料力學性能不足的難題。
自儲電水泥同樣表現(xiàn)優(yōu)異。現(xiàn)場，給一塊20厘米見方的水泥存好電后，就像一塊充電寶順順利利給手機充上了電。“混凝土本身是不導電的，我們在混凝土內部搭建了離子通道，在保持水泥高強度的同時，將離子導電率提升6個數量級，具有良好的電化學可逆性與快速的電荷轉移能力，20000次充放電循環(huán)后，仍然能保持其初始比電容的95%，可與建筑同壽命?！?/p>
另外，在此基礎上，團隊還進一步基于特種磷酸鎂水泥研發(fā)儲能材料，離子電導率高達101.1mS/cm，超越現(xiàn)有商用固態(tài)電池材料。經測算，如若將其制成儲能墻板，可存儲居民住宅約一天的用電量，與光伏配套使用，能提升光伏利用率30%以上，降低用電成本超過50%。
借鑒植物智慧
給水泥搭建離子“高速通道”
東大團隊研發(fā)的仿生自發(fā)電-儲能混凝土之所以能成為“全球首創(chuàng)”，其背后的仿生機制不可忽視。
“我們這兩項創(chuàng)新成果的核心靈感源于對植物根莖的深度觀察?！敝軗P表示，不同于傳統(tǒng)的混凝土攪拌工藝，團隊借鑒植物維管組織的層狀木質結構，為離子傳輸提供“高速通道”，并通過界面選擇性調控離子通過。
受此啟發(fā)，團隊開發(fā)了雙向冷凍冰模板法。給混凝土攪拌筒裝上兩個垂直的冷源，讓水結冰形成層狀結構。層狀的界面為水泥提供了生長模板，這樣就形成了一層水泥一層冰的形態(tài)。待冰融化后，利用壓力向水泥內填充柔性材料。
這樣一來，團隊成功復刻了植物維管的微觀形態(tài)，實現(xiàn)了水泥基材料高強、高韌、高離子導電率的統(tǒng)一，讓水泥兼具建筑材料與能源載體的雙重屬性。
應用前景廣闊
可充電道面最快年底見面
“在服務區(qū)里，新能源車主必須要找到一個充電樁才能給車充電。如果鋪設了我們這種材料，車主停到車位上便可充電。”周揚透露，目前，團隊已經與浙江省交通集團技術研究總院達成合作，可充電道面將在今年年底或明年初與大家見面。
此外，仿生自發(fā)電-儲能混凝土應用前景廣闊。建筑領域，自發(fā)電、自儲能水泥可以做墻板，大幅降低對外部電網的依賴；在偏遠地區(qū)，無人基站、環(huán)境監(jiān)測傳感器等設備，將依靠水泥的自發(fā)電特性穩(wěn)定運行，有效解決傳統(tǒng)電源供應難題；低空經濟領域，自供電混凝土跑道既能為飛行器提供無障礙起降場地，又能在其停留時補充續(xù)航能量，推動城市空中交通安全高效發(fā)展。
繆昌文院士表示，在全球朝著碳達峰、碳中和目標邁進的當下，水泥混凝土材料正不斷改寫傳統(tǒng)建材“結構承載-能源消耗”的單一屬性，朝著綠色低碳、多功能、可持續(xù)的方向發(fā)展，構建“材料-能源-環(huán)境”協(xié)同發(fā)展的新范式。團隊這項成果，不僅為“雙碳”目標提供關鍵技術支撐，更預示著未來建筑將從“環(huán)境負擔”轉變?yōu)椤吧鷳B(tài)伙伴”，為人類綠色智能生活開辟無限可能。
