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用建房的混凝土板做蓄电池

文章来源:5e                   发布时间:2021-09-13
摘要:能否用“100%的太阳能、风能+储能”满足所有的能源需求?直到最近,全世界还争论不休。

能否用“100%的太阳能、风能+储能”满足所有的能源需求?直到最近,全世界还在为此争论不休。其实,早就有国家级的实例证明,关键在于要有足够的储能系统。所以,储能技术研究风靡世界。最近,美国《ASME》刊载新泽西州韦斯特菲尔德公司迈克尔·艾布拉姆斯(Michael Abrams)的文章说,可用建房的混凝土板做蓄电池,给间歇性的太阳能光伏“储能”,有点儿使人“喜出望外”……


可再生混凝土可以储存可再生能源发的电

如果我们的家庭和办公室有一天要由间歇性的可再生能源供电,那么可能需要电池在太阳下山、风不吹时用电池保持供电。但蓄电池也有自己“非绿色”的缺点,其中最主要的是生产和运输蓄电池的环境成本。如果我们的家庭和办公室的墙壁能够储能,这些疑虑就会消失。

多亏最近瑞典查默斯理工大学(Chalmers University)博士后研究员张艾玛(Emma Zhang)和这个大学建筑技术部的建筑材料教授唐鲁平(Luping Tang)的工作,我们的房屋结构可能很快就能给我们的家庭提供电力了。

张艾玛现在是瑞典德尔塔公司负责产品开发的高级开发科学家,她创造的一块9 x 9厘米、1厘米厚的可充电混凝土板,能量密度为每平米7 Wh。她说,“如果我们有个100平米的房子,有200平米混凝土墙、嵌板或地板,那就是个潜在的、200平米的混凝土蓄电池,大约每天可储能2 kWh。”


混凝土蓄电池基于托马斯·爱迪生电池的工作原理

这大约是单所房子平均日能耗的7.5 %,而且仅基于第一个原型。张艾玛认为,产能还可加倍甚至三倍。她说,“下一步增加产能非常重要。”

张艾玛试图制造混凝土电池并不是首创。十年前,纽约州立大学布法罗分校(SUNY Buffalo)的材料科学家黛博拉·钟(Deborah Chung)首次尝试了这个概念。但她的电池产生的能量很少(1.42微瓦),因为它只使用混凝土中的水作为电解质,是不可充电的。张艾玛决定在混合物中添加一些有传导性的东西。她转向了一种也可以用来加固混凝土的产品:碳纤维。她直接在混凝土中加入了切碎的短碳纤维。

她说,“我们测量了砂浆的电导率和可塑性。”“提升电导率,会失去可塑性。”碳纤维的最佳浓度在0.8-0.9 %之间。

这个蓄电池本质上是一种三层混凝土的“三明治”。外层用涂层碳纤维网加强作为电极;阳极侧有铁,阴极侧有镍。张艾玛说,“和托马斯·爱迪生电池的原理完全相同。”“这是个非常强大的系统,可以承受过充和过放电,使用寿命非常长。与此同时,电池的容量低,但由于有大量的混凝土可以使用,这对混凝土蓄电池不是缺点。”


混凝土和碳纤维电池的结构示意图

其结果是个可以重复充电的蓄电池,这一发展可能会使混凝土电池快速走出研究阶段,进入可用性领域。

因电流和电压较低,腐蚀不是问题。她说,至少在一百年内,在最坏的情况下,电极或导电砂浆中碳纤维的腐蚀并不明显。余热也不大可能使任何用户感觉不适。墙壁只会比环境温度高几度,不会使室温上升。

更大的挑战是在建筑物或蓄电池材料在准备退役时如何“再循环”。众所周知,复合材料很难回收利用。她说,“再循环的一个解决方案是粉碎旧的混凝土电池,制造新的混凝土电池。” 最简单的是粉碎,用作浇筑道路的骨料。

下一步是建“一米接一米”的版本,建个“样板”工程。张艾玛说,“我们必须看看它在现实生活中的表现如何。”“我的完美世界、我的梦想是:它能在几年内变为现实。如果其他研究人员对研究这个课题感兴趣,还会发展得更快。”

依据资料:Michael Abrams, Using Concrete to Carry a Charge, ASME, Sep 2, 2021