盡管近年來(lái)鋰離子電池的價(jià)格出現(xiàn)了大幅下跌，但大多數(shù)專(zhuān)家都認(rèn)為，對(duì)于大規(guī)模電網(wǎng)級(jí)存儲(chǔ)而言，它們?nèi)匀惶嘿F了。鋰的相對(duì)稀缺也意味著它們不太可能滿(mǎn)足我們所有的能源需求。
科學(xué)家為了尋找用于存儲(chǔ)富余可再生能源的替代方案，開(kāi)展了大量的研究。例如：用更廉價(jià)的熔融鹽電池，利用閑置電力壓縮空氣或抽水蓄能繼而用以驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)等。
圖源：華盛頓大學(xué)
但是，似乎一直以來(lái)，潛在的能量存儲(chǔ)介質(zhì)一直擺在我們的觸手可及卻又常被忽視的地方。在Nature Communications上，一篇以“Energy storing bricks for stationary PEDOT supercapacitors”為題的論文給出了一個(gè)新的思路 ，華盛頓大學(xué)(圣路易斯)的Julio D′Arcy教授團(tuán)隊(duì)證明，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的化學(xué)處理普通的磚塊，從而賦予它們類(lèi)似電池的蓄電能力。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步表明，標(biāo)準(zhǔn)的建筑磚可以轉(zhuǎn)換成能量存儲(chǔ)單元，從而有可能將我們的房屋變成巨型電池。
圖1 傳統(tǒng)的磚塊已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蔀長(zhǎng)ED燈供電的能量存儲(chǔ)設(shè)備圖源：華盛頓大學(xué)(圣路易斯)
能源、信息和材料作為現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的三大支柱，受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。能源危機(jī)是人類(lèi)面臨的最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)之一，化解這一危機(jī)的一個(gè)有效方案就是可再生能源的開(kāi)發(fā)與利用，如太陽(yáng)能，風(fēng)能等。隨著太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等技術(shù)的快速發(fā)展，我們對(duì)可再生能源的捕獲和轉(zhuǎn)換已經(jīng)變得易如反掌，但是，能量存儲(chǔ)成了我們高效利用可再生能源之路上的攔路虎。
近年來(lái)，諾獎(jiǎng)技術(shù)-鋰離子電池在能量存儲(chǔ)領(lǐng)域大放異彩：容量不斷增大、安全性不斷提高、成本不斷下降。但是，大部分專(zhuān)家認(rèn)為其在大規(guī)模電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能方面的造價(jià)依然很昂貴。為了獲得成本低廉的儲(chǔ)能材料，科學(xué)家連用于房屋建造的“板磚”都沒(méi)放過(guò)。
以往關(guān)于建筑物儲(chǔ)能方面的研究大多只關(guān)注熱能的存儲(chǔ)，在其他類(lèi)型的能源存儲(chǔ)方面還未實(shí)現(xiàn)。例如一個(gè)來(lái)自德國(guó)研究團(tuán)隊(duì)利用夜間的廉價(jià)電加熱用天然耐高溫火山巖砌成的墻體用以?xún)?chǔ)存熱能，白天再將熱能轉(zhuǎn)化為電能為建筑物供電。目前建筑物儲(chǔ)能形式單一、能量轉(zhuǎn)化率低，所以，拓展建筑物儲(chǔ)能形式將會(huì)極大地提高建筑物儲(chǔ)能容量和能量轉(zhuǎn)換效率。
為了解決這一問(wèn)題，Julio D′Arcy教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)在建筑用紅磚上沉積導(dǎo)電聚合物的方法，將紅磚變成“ 儲(chǔ)能磚 ”。 該論文報(bào)道的“儲(chǔ)能磚”能在-20 - 60℃之間穩(wěn)定運(yùn)行，這個(gè)溫區(qū)幾乎涵蓋了大部分地區(qū)的室外溫度;其次，“儲(chǔ)能磚”用環(huán)氧樹(shù)脂封裝之后，可以達(dá)到防水的目的，增加其環(huán)境穩(wěn)定性;此外，在充電-放電10000次循環(huán)以后，“儲(chǔ)能磚”仍能保持約90%的容量。令人驚喜的是，僅需3塊“儲(chǔ)能磚”，就能點(diǎn)亮一個(gè)LED約10分鐘之久。
紅磚之所以呈現(xiàn)紅色，是因?yàn)榇u塊內(nèi)含有赤鐵礦(Fe2O3)，一塊普通紅磚含有約8%的赤鐵礦，這種赤鐵礦可以通過(guò)化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變成藍(lán)色的導(dǎo)電聚合物。得益于紅磚本身所具有的三維微孔結(jié)構(gòu)，使得紅磚成為一種潛在的擁有優(yōu)異機(jī)械性能的電極材料。
圖2 “板磚變電池”的化學(xué)反應(yīng)示意圖圖源：Nat Commun 11, 3882 (2020) Fig1
Julio D′Arcy教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)一步反應(yīng)法實(shí)現(xiàn)了在紅磚上氣相沉積導(dǎo)電聚合物(PEDOT)納米纖維涂層的目的。隨著反應(yīng)時(shí)間的推移，反應(yīng)逐漸從表面滲透到內(nèi)部，直至磚塊內(nèi)部微孔結(jié)構(gòu)中都富含導(dǎo)電聚合物(圖2)。
為了探究“儲(chǔ)能磚”的微孔結(jié)構(gòu)對(duì)其儲(chǔ)能性能的影響，研究人員對(duì)比了3種擁有不同微孔結(jié)構(gòu)的紅磚的儲(chǔ)能性質(zhì)。如圖3a所示，1號(hào)磚孔隙率較大，2號(hào)和3號(hào)磚孔隙率較小。雖然3種磚塊的表面都能沉積比較均勻的導(dǎo)電聚合物納米纖維(圖3b)，但是孔隙率小的磚塊中納米纖維的滲透作用差，跟磚塊表面之間出現(xiàn)了明顯的分層(圖3c-e)，并且極易被膠帶解理下來(lái)，這樣就會(huì)導(dǎo)致單塊紅磚的儲(chǔ)能密度降低。因此，微孔結(jié)構(gòu)對(duì)提升紅磚的儲(chǔ)能性質(zhì)起到了至關(guān)重要的作用。
圖3 “儲(chǔ)能磚”的微觀結(jié)構(gòu)表征圖源：Nat Commun 11, 3882 (2020) Fig2，F(xiàn)ig3
在兩塊覆蓋導(dǎo)電聚合物涂層的紅磚之間添加一層凝膠電解質(zhì)，就形成了“三明治 ”結(jié)構(gòu)的“儲(chǔ)能磚”電池。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，“儲(chǔ)能磚電池”在充放電循環(huán)10000次之后，容量依然保持在90%左右，庫(kù)倫效率接近100%(圖4a)。環(huán)氧樹(shù)脂封裝的 “儲(chǔ)能磚”表現(xiàn)出良好的防水性能(圖4b)。3塊“儲(chǔ)能磚”串聯(lián)起來(lái)，產(chǎn)生的電量可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)綠色LED持續(xù)發(fā)光約10分鐘(圖4c)。
圖4 “儲(chǔ)能磚”的性能表現(xiàn)圖源：Nat Commun 11, 3882 (2020) Fig5
無(wú)論是大規(guī)模太陽(yáng)能電池板還是家用屋頂式太陽(yáng)能裝置，都體現(xiàn)出人們對(duì)太陽(yáng)能的需求是可持續(xù)快速增長(zhǎng)的，因?yàn)樗且环N可負(fù)擔(dān)的清潔能源。但是，在無(wú)太陽(yáng)光照情況下如何儲(chǔ)存太陽(yáng)能是目前面臨的挑戰(zhàn)之一。
雖然這些“智能磚”的性能暫時(shí)還無(wú)法與常規(guī)的太陽(yáng)能儲(chǔ)能材料-鋰離子電池相匹敵，但是，研究人員樂(lè)觀地認(rèn)為可以將這個(gè)新技術(shù)拓展到其它容易獲得的材料，達(dá)到儲(chǔ)能的目的。
這一切才剛剛開(kāi)始。研究團(tuán)隊(duì)表示他們已經(jīng)找到了可行的方案使 “儲(chǔ)能磚 ”的性能顯得到顯著提升。研究人員表示，他們已經(jīng)在進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)，用復(fù)合材料替代當(dāng)前使用的納米纖維，希望能使“儲(chǔ)能磚”的容量提升一個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，他們還致力于優(yōu)化制造流程以提高速度和降低成本。
圖5 “智能磚”的應(yīng)用示例：磚塊通過(guò)太陽(yáng)能電池板充電，可以將能量傳遞到電氣設(shè)備圖源：華盛頓大學(xué)(圣路易斯)
盡管還有很長(zhǎng)的路要走，但似乎未來(lái)的房屋可能是可以使用大量可再生能源為自己充電的巨型“能量屋 ”。
