科技日報(bào)記者 金鳳 通訊員 吳涵玉
水泥能發(fā)電還能儲(chǔ)電？這幕聽上去頗具科幻感的畫面，正在東南大學(xué)上演。5月9日，中國工程院院士、東南大學(xué)教授繆昌文團(tuán)隊(duì)發(fā)布全球首創(chuàng)的仿生自發(fā)電-儲(chǔ)能混凝土。該技術(shù)直擊建筑行業(yè)高能耗痛點(diǎn)，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。
有數(shù)據(jù)顯示，目前，我國建筑全過程能耗占到全國能源消費(fèi)總量的45%，碳排放量占全國排放總量超50%。同時(shí)，光伏發(fā)電受天氣制約、儲(chǔ)能成本高昂。
針對這些問題，東南大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出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，試圖將水泥從“能源消耗者”變?yōu)椤澳茉淳C合體”。
“其中，N型熱電水泥塞貝克系數(shù)達(dá)-40.5m伏/開，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(shù)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?！眻F(tuán)隊(duì)科研人員、東南大學(xué)教授周揚(yáng)介紹，自發(fā)電水泥基超材料只要存在溫差就能持續(xù)發(fā)電，這填補(bǔ)了清潔能源受天氣制約的供應(yīng)缺口。此外，其抗壓強(qiáng)度提升60%、韌性增強(qiáng)近10倍，破解了傳統(tǒng)熱電材料力學(xué)性能不足的難題。
此外，團(tuán)隊(duì)還研發(fā)出自儲(chǔ)電水泥基超級(jí)電容器，在保持水泥高強(qiáng)度的同時(shí)，將離子導(dǎo)電率提升6個(gè)數(shù)量級(jí)，具有良好的電化學(xué)可逆性與快速的電荷轉(zhuǎn)移能力，2萬次充放電循環(huán)后，仍然能保持其初始比電容的95%，可與建筑同壽命。
在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步基于特種磷酸鎂水泥研發(fā)儲(chǔ)能材料，離子電導(dǎo)率高達(dá)101.1毫西門子/厘米，超越現(xiàn)有商用固態(tài)電池材料。若將其制成儲(chǔ)能墻板，可存儲(chǔ)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%。
“成果的靈感源于我們對植物根莖的觀察。自然界中，植物維管組織的層狀木質(zhì)結(jié)構(gòu)不僅強(qiáng)韌，還能為離子傳輸提供高速通道，并通過界面選擇性調(diào)控離子通過?！敝軗P(yáng)說，受此啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)運(yùn)用雙向冷凍冰模板法，復(fù)刻植物維管的微觀形態(tài)，并向?qū)娱g孔隙填充柔性材料，實(shí)現(xiàn)水泥基材料高強(qiáng)、高韌、高離子導(dǎo)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。
周揚(yáng)表示，仿生自發(fā)電-儲(chǔ)能混凝土有望重塑多個(gè)領(lǐng)域的能源格局。在建筑領(lǐng)域，自發(fā)電、自儲(chǔ)能水泥制成的墻板可使建筑大幅降低對外部電網(wǎng)的依賴，變身綠色能量體；交通場景中，混凝土道面可憑借巨大表面積，成為可發(fā)電儲(chǔ)電的零碳服務(wù)區(qū)；在偏遠(yuǎn)地區(qū)，無人基站、環(huán)境監(jiān)測傳感器等設(shè)備，可依靠水泥的自發(fā)電特性穩(wěn)定運(yùn)行，解決傳統(tǒng)電源供應(yīng)難題；低空經(jīng)濟(jì)領(lǐng)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(shí)極速補(bǔ)充續(xù)航能量，推動(dòng)城市空中交通安全高效發(fā)展。
繆昌文表示，水泥混凝土材料正不斷改寫傳統(tǒng)建材“結(jié)構(gòu)承載—能源消耗”的單一屬性，成果不僅為“雙碳”目標(biāo)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐，也為人類綠色智能生活開辟無限可能。
