MIT 新创举：储能混凝土，5 立方米构建建筑版超级电池满足家庭需求

摘要：近日，麻省理工学院（MIT）的科研劲旅在权威学术期刊《美国国家科学院院刊》（PNAS）上振奋人心地发表了论文，郑重宣告其潜心研发的“电子导电碳混凝土”（Electron-Conducting Carbon Concrete，简称 ec³）在能量存储领域实现了重

混凝土，这一构筑现代都市巍峨身躯的基石材料，如今正悄然踏上变革的崭新征程，或将肩负起“储能”这一前所未有的神圣使命，开启能源利用与建筑融合的全新篇章。

近日，麻省理工学院（MIT）的科研劲旅在权威学术期刊《美国国家科学院院刊》（PNAS）上振奋人心地发表了论文，郑重宣告其潜心研发的“电子导电碳混凝土”（Electron-Conducting Carbon Concrete，简称 ec³）在能量存储领域实现了重大跨越。这种独具匠心的材料，巧妙地在传统水泥与水的混合体系中引入超细碳黑纳米颗粒和精心调配的电解质，从而在混凝土内部编织出一张精密的导电“纳米网络”。这张无形的网络赋予了墙壁、人行道乃至桥梁等建筑构件潜在的储能魔力，让它们摇身一变成为名副其实的“巨型电池”，为城市的能源存储与利用开辟了全新的想象空间。

早在 2023 年，富有远见的研究人员就大胆提出设想：若要使混凝土具备储存足够电能的能力，以满足一户普通家庭一天的用电需求，大约需要 45 立方米的 ec³，这相当于一座典型地下室的庞大体量。然而，在最新的科研成果中，科研团队凭借对电解质种类与添加工艺的深度优化与创新，成功将所需体积大幅缩减至仅 5 立方米，这一体积大致等同于一面普通地下室墙壁的规模。这意味着，储能密度实现了质的飞跃，整整提升了一个数量级，为混凝土储能的大规模应用铺平了道路。

MIT 土木与环境工程系副教授、EC³ Hub 联合主任阿德米尔·马西奇（Admir Masic）满怀激情地表示：“混凝土的可持续发展之路，关键在于开发具有‘多功能’特性的新型混凝土。让它不仅仅作为坚固的建筑材料，更要实现储能、自愈和碳捕集等多元功能。既然混凝土已经成为全球使用最为广泛的建材，我们为何不借助这一庞大的规模优势，创造出更多超越传统认知的价值呢？”他的这番话语，犹如一盏明灯，照亮了混凝土未来发展的全新方向。

为了深入探究 ec³ 内部的奥秘，研究人员巧妙运用了 FIB-SEM 层析技术（即离子束逐层切割与扫描电镜成像的完美结合），首次在纳米尺度上精准重建了 ec³ 内部的导电网络。他们惊喜地发现，碳黑颗粒在混凝土孔隙周围巧妙地形成了类似分形的“蜘蛛网”结构。这种精妙的结构不仅能让电解质充分渗透其中，还能确保电流在其中顺畅无阻地流动，从而显著增强了混凝土的储能性能，为混凝土储能的科学原理提供了坚实的微观依据。

正是基于对这种纳米网络的深入理解与精准把握，科研团队进一步展开了对不同电解质及其浓度的细致探索。研究结果令人振奋，其适用范围极为广泛，甚至涵盖了海水这一特殊介质。这意味着 ec³ 在近海和海洋环境中或许将大放异彩，例如可以作为海上风电的坚实支撑结构，为海洋能源的开发与利用提供可靠的储能保障。

在电解质注入工艺方面，此前研究人员通常采用先让 ec³ 电极固化，再通过浸泡方式将电解质注入的传统方法。然而，这种方式存在渗透效率有限的弊端。此次，科研团队大胆创新，改为在拌制混凝土时直接将电解质加入拌水中，这一巧妙改变省去了繁琐的后续步骤，使得电解质能够自然且均匀地分布在材料内部。这种创新工艺不仅大幅提高了效率，还允许浇筑更厚的电极，从而进一步增加了储能容量，为混凝土储能的大规模应用提供了可行的技术路径。

在电解质的选择上，团队经过大量实验发现，当使用以季铵盐（常见于消毒剂等日常产品）与乙腈（常用工业导电液体）为基础的有机电解质时，ec³ 的性能提升最为显著。一个立方米的这种 ec³，其体积约等于一台冰箱的大小，却能够存储超过 2 千瓦时的能量，这一能量足以维持一台真实冰箱运行一整天，充分展示了其在实际应用中的巨大潜力。

尽管 ec³ 的能量密度目前仍不及传统电池，但它却拥有传统电池难以企及的独特优势——可直接融入建筑结构本身。无论是坚固的地板、挺拔的墙体，还是优雅的拱顶与穹窿，只要建筑屹立不倒，其储能功能便随之长久延续。这一特性大大减少了后期维护与更换的需求，降低了全生命周期的成本，为建筑能源的可持续管理提供了全新的解决方案。

马西奇教授以古罗马建筑为类比，富有诗意地提出：“古罗马人在混凝土建造领域曾取得了举世瞩目的辉煌成就。至今仍傲然屹立的万神殿，未添加一根钢筋却依然坚固如初，成为了人类建筑史上的不朽传奇。如果我们能够延续这种将材料科学与建筑美学完美融合的精神，或许我们正站在一场‘多功能混凝土’建筑革命的伟大门槛上，即将开启一个全新的建筑时代。”

为了更直观地展示 ec³ 的神奇特性，研究团队精心制作了一座微型 ec³ 拱门。在 9 伏电压的驱动下，这座微型拱门不仅能够稳健地承重，还能轻松点亮 LED 灯。有趣的是，当拱门所承受的负载增加时，灯光会出现微妙的闪烁。这一奇妙现象提示了应力与电流分布之间存在着潜在的关联，意味着未来或许能够利用这种“波动”实现结构的自监测功能——当建筑遭遇风荷载等外力作用时，它本身能够通过电信号及时反馈出自身的健康状况，为建筑的安全运行提供实时保障。

事实上，ec³ 已经在现实世界中崭露头角，展现出了广阔的应用前景。在日本札幌，当地巧妙地利用其导热性能建造了加热人行道，成功取代了传统撒盐除冰的繁琐方式，为城市冬季的出行安全提供了创新解决方案。而随着其储能能力的不断提升，ec³ 的应用场景将更加丰富多彩。研究团队设想了诸多令人兴奋的场景：在停车场与道路上，它可以为电动汽车提供便捷的无线充电服务；在住宅与社区中，房屋墙体能够储能，使家庭实现“离网运行”，摆脱对传统电网的依赖；在基础设施领域，桥梁、地铁甚至城市广场都可以成为分布式储能网络的重要组成部分，为城市的能源供应提供稳定保障。

MIT 研究科学家、论文第一作者达米安·斯特凡纽克（Damian Stefaniuk）真诚地指出：“我们的初衷之一就是助力可再生能源的转型。如今，太阳能效率已经得到了大幅提升，但发电过程仍然高度依赖日照条件。那么，在夜间和阴天等光照不足的情况下，如何满足社会的能源需求呢？答案就是储能。而 ec³ 能够在不依赖稀缺或有害材料的前提下，为我们提供一套切实可行的解决方案，为可再生能源的广泛应用扫除障碍。”

EC³ Hub 联合主任、MIT 教授弗朗茨 - 约瑟夫·乌尔姆（Franz-Josef Ulm）进一步补充说：“以往的储能方式主要依靠电池，但电池制造过程往往涉及稀缺甚至有害的物质，对环境和社会造成了一定的压力。我们认为，ec³ 能够作为一种可行的替代方案，让建筑和基础设施直接承担起储能的功能，实现能源存储与利用的绿色转型。”

康奈尔大学材料与设计技术副教授、论文合著者詹姆斯·韦弗（James Weaver）满怀感慨地总结道：“混凝土是一种古老而经典的建材，而我们现在成功证明了它可以承担起全新的功能。通过将现代纳米科学与人类文明最基础的材料紧密结合，我们正在打开一扇通往未来世界的大门。在这扇门后，未来的基础设施将不仅仅承载着人们的生活，更将为人们的生活提供源源不断的能量，开启一个能源与建筑完美融合的新时代。”

随着研究的不断深入与拓展，电子导电碳混凝土有望成为能源转型与智慧城市建设的关键一环。从罗马万神殿那历经千年风雨依然坚固的永恒拱顶，到未来能够自发光、可充电的现代智能建筑，人类或许正在迎来一场前所未有的建筑与能源革命，这场革命将深刻改变我们的生活方式和城市的面貌，为我们创造一个更加绿色、可持续的未来。