水泥能發(fā)電還能儲電？我國科學家最新成果公布

東大新聞網消息，5月9日，中國工程院院士、東南大學繆昌文教授，周揚教授團隊最新科研成果——全球首創(chuàng)的仿生自發(fā)電-儲能混凝土正式亮相發(fā)布。該顛覆性技術直擊建筑行業(yè)高能耗痛點，以水泥為載體開辟全新能源路徑，有望重塑未來建筑與能源格局。

如今，在建筑能耗占全國總能耗45%、碳排放超50%的嚴峻背景下，傳統(tǒng)光伏能源受天氣制約、儲能成本高昂的短板愈發(fā)凸顯。東南大學科研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，研發(fā)成功了仿生自發(fā)電-儲能混凝土。該成果涵蓋自發(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，將水泥從“能源消耗者”變?yōu)椤澳茉淳C合體”，實現了自發(fā)電與自儲能的雙重突破。

團隊研發(fā)了N型熱電水泥和P型熱電水泥兩種自發(fā)電水泥基超材料，性能遠超傳統(tǒng)材料。其中，N型熱電水泥塞貝克系數達-40.5mV/K，是傳統(tǒng)水泥基熱電材料最高值的約10倍；P型熱電水泥功率因數PF值是傳統(tǒng)水泥基熱電材料最高值的51倍，ZT值為傳統(tǒng)水泥基熱電材料最高值的42倍。值得關注的是，自發(fā)電水泥基超材料只要存在溫差就能持續(xù)發(fā)電，填補了清潔能源受天氣制約的供應缺口。此外，其在力學性能上同樣表現優(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。

團隊研發(fā)的自儲電水泥基超級電容器，在保持水泥高強度的同時，將離子導電率提升了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，仍能保持其初始比電容的95%，耐久性遠超現有電池材料。在此基礎上，團隊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%。

據介紹，團隊這兩項創(chuàng)新成果的核心靈感源于對植物根莖的深度觀察。自然界中，植物維管組織的層狀木質結構不僅強韌，還能為離子傳輸提供“高速通道”，并通過界面選擇性調控離子通過。受此啟發(fā)，團隊運用雙向冷凍冰模板法，復刻植物維管的微觀形態(tài)，并向層間孔隙填充柔性材料，實現水泥基材料高強、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。

據悉，仿生自發(fā)電-儲能混凝土應用前景廣闊，有望重塑多個領域的能源格局。在建筑領域，自發(fā)電、自儲能水泥制成的墻板可使建筑大幅降低對外部電網的依賴，變身“綠色能量體”；在交通場景中，混凝土道面憑借其巨大的表面積，成為可發(fā)電儲電的“零碳”服務區(qū)，未來新能源車無需充電樁，在路面行駛即可無線充電；在偏遠地區(qū)，無人基站、環(huán)境監(jiān)測傳感器等設備，將能依靠水泥的自發(fā)電特性穩(wěn)定運行，有效解決傳統(tǒng)電源供應難題；在低空經濟領域，自供電混凝土跑道既能為飛行器提供無障礙起降場地，又能在其停留時極速補充續(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。東南大學科研團隊的這項研究成果，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。