一塊水泥磚能給手機(jī)、汽車充電？是真的！5月9日，記者從東南大學(xué)了解到，由中國(guó)工程院院士、東南大學(xué)教授繆昌文和材料科學(xué)與工程學(xué)院教授周揚(yáng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的仿生自發(fā)電-儲(chǔ)能混凝土正式亮相。這項(xiàng)全球首創(chuàng)的技術(shù)直擊建筑行業(yè)高能耗痛點(diǎn)，將水泥從“能源消耗者”變?yōu)椤澳茉淳C合體”，實(shí)現(xiàn)自發(fā)電與自儲(chǔ)能的雙重突破。 

歷時(shí)4年研發(fā)

讓水泥可發(fā)電、可儲(chǔ)能

“建筑行業(yè)的碳排放占社會(huì)碳排放總量的50%，能耗占比也超過45%以上。”周揚(yáng)告訴記者，以太陽能光伏為代表的清潔能源技術(shù)，雖然可以有效地降低建筑碳排放，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，但是受天氣制約大、儲(chǔ)能成本高昂等短板也愈發(fā)凸顯。為了解決這些問題，周揚(yáng)團(tuán)隊(duì)依托重大基礎(chǔ)設(shè)施工程材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在國(guó)家自然科學(xué)基金首批原創(chuàng)-探索項(xiàng)目的資助下，歷時(shí)4年研發(fā)了仿生自發(fā)電-儲(chǔ)能混凝土，涵蓋自發(fā)電水泥基超材料、自儲(chǔ)電水泥基超級(jí)電容器兩大技術(shù)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(chǎn)者、儲(chǔ)存者。

記者在現(xiàn)場(chǎng)看到，團(tuán)隊(duì)成員將4塊自發(fā)電水泥串聯(lián)在一起后，產(chǎn)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(yáng)向記者解釋到：“有溫差，自發(fā)電水泥材料就可以將熱能轉(zhuǎn)化為電能，做到持續(xù)發(fā)電。這樣便填補(bǔ)了清潔能源受天氣制約的供應(yīng)缺口。”。此外，自發(fā)電水泥在力學(xué)性能上同樣表現(xiàn)優(yōu)異，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。 

自儲(chǔ)電水泥同樣表現(xiàn)優(yōu)異。現(xiàn)場(chǎng)，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(jī)充上了電。“混凝土本身是不導(dǎo)電的，我們?cè)诨炷羶?nèi)部搭建了離子通道，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，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。”

另外，在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)還進(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)101.1mS/cm，超越現(xiàn)有商用固態(tài)電池材料。經(jīng)測(cè)算，如若將其制成儲(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%。 

借鑒植物智慧

給水泥搭建離子“高速通道”

東大團(tuán)隊(duì)研發(fā)的仿生自發(fā)電-儲(chǔ)能混凝土之所以能成為“全球首創(chuàng)”，其背后的仿生機(jī)制不可忽視。

“我們這兩項(xiàng)創(chuàng)新成果的核心靈感源于對(duì)植物根莖的深度觀察。”周揚(yáng)表示，不同于傳統(tǒng)的混凝土攪拌工藝，團(tuán)隊(duì)借鑒植物維管組織的層狀木質(zhì)結(jié)構(gòu)，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。

受此啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了雙向冷凍冰模板法。給混凝土攪拌筒裝上兩個(gè)垂直的冷源，讓水結(jié)冰形成層狀結(jié)構(gòu)。層狀的界面為水泥提供了生長(zhǎng)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(nèi)填充柔性材料。

這樣一來，團(tuán)隊(duì)成功復(fù)刻了植物維管的微觀形態(tài)，實(shí)現(xiàn)了水泥基材料高強(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。

應(yīng)用前景廣闊

可充電道面最快年底見面

“在服務(wù)區(qū)里，新能源車主必須要找到一個(gè)充電樁才能給車充電。如果鋪設(shè)了我們這種材料，車主停到車位上便可充電。”周揚(yáng)透露，目前，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)與浙江省交通集團(tuán)技術(shù)研究總院達(dá)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(chǔ)能混凝土應(yīng)用前景廣闊。建筑領(lǐng)域，自發(fā)電、自儲(chǔ)能水泥可以做墻板，大幅降低對(duì)外部電網(wǎng)的依賴；在偏遠(yuǎn)地區(qū)，無人基站、環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器等設(shè)備，將依靠水泥的自發(fā)電特性穩(wěn)定運(yùn)行，有效解決傳統(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(chǎng)地，又能在其停留時(shí)補(bǔ)充續(xù)航能量，推動(dòng)城市空中交通安全高效發(fā)展。 

繆昌文院士表示，在全球朝著碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)邁進(jìn)的當(dāng)下，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，朝著綠色低碳、多功能、可持續(xù)的方向發(fā)展，構(gòu)建“材料-能源-環(huán)境”協(xié)同發(fā)展的新范式。團(tuán)隊(duì)這項(xiàng)成果，不僅為“雙碳”目標(biāo)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐，更預(yù)示著未來建筑將從“環(huán)境負(fù)擔(dān)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤吧鷳B(tài)伙伴”，為人類綠色智能生活開辟無限可能。