目前，世界各國都設定了在未來幾十年內達到零碳排放的目標。然而，可再生能源資源往往不穩定，太陽照射的時間不固定，風速也并不總是在需要時增強。隨著可再生能源的快速增長，一個基本問題隨之而來：如何將這些能源存儲以便日常使用?

最近，麻省理工學院的研究團隊正在開發一種混凝土電池儲能系統，這種系統由三種簡單的成分構成：炭黑、水和水泥。聽起來像科幻小說，但該團隊正在實現捕獲屋頂太陽能并將其儲存在混凝土建筑基礎中，以便隨時使用。

可再生能源的波動與鋰資源的枯竭

風電場的安裝正在快速增長，擴展到海洋上的浮動設施和高海拔地區，以捕捉高速風流。隨著政府補貼激勵對無碳能源的轉型，太陽能也在不斷擴大其應用。然而，當風能和太陽能資源波動時，它們可能對依賴這些資源的能源系統造成危險挑戰。

在2021年，歐洲經歷了自1979年以來最弱的風力，這種可再生能源資源的突然下降使電價飆升至前所未有的水平。2019年，英國遭遇了大規模停電，影響超過一百萬用戶，當時霍恩西1號海上風電設施出現了一系列故障和問題。在2021年臭名昭著的德克薩斯冬季風暴停電事件之后，許多人簡單聲稱風力渦輪機“凍結”，而沒有考慮到多個變量，包括德克薩斯人急需供暖時風速顯著降低。

這些例子表明，需要有效存儲可再生能源以供日后使用。存儲可再生能源的行業標準是鋰離子電池(Li-ion)。然而，鋰礦開采和其他電池材料的獲取面臨諸多挑戰。

即將出現的鋰短缺預計將對鋰離子電池的生產產生重大影響，而這種電池對電動汽車和可再生能源儲存至關重要。全球對鋰的需求超過供應，價格在過去一年中飆升超過400%。在智利和塞爾維亞等主要鋰生產國，環境問題和監管挑戰進一步加劇了這一問題，可能導致長期供給短缺和電池生產成本上升。未來的道路必須包括鋰離子電池的替代方案。

混凝土超級電容器的解決方案

麻省理工學院研究人員開創的混凝土電池系統是另一種電池替代品的潛在候選者。它可以緩解鋰市場的壓力，并有助于支持更大規模的可再生能源高效存儲項目。

這種電池的三種基本成分——水泥、炭黑和水——都便宜且廣泛可得，從而避免了跟上全球鋰需求的壓力。

這款電池是一種超級電容器，是一種能夠存儲大量電荷的增強型電容器。電容器是由兩個導電板和一個電解質及膜分隔而成的基本設備。施加電壓會使離子在兩塊相對的板上積聚，形成電場并存儲電荷。當需要時，這些電荷可以迅速釋放。電容器的儲能能力取決于其板的表面積。

麻省理工學院團隊的超級電容器采用高內表面積的水泥基材料。他們通過將炭黑與水泥和水混合，形成一種致密的導電網絡，完成了這種材料的制備。這種結構類似于分形，提供了緊湊體積中的廣泛表面積。將這種材料浸泡在如氯化鉀的電解質中，使其能夠高效存儲和釋放大量電荷，從而成為一種強大的超級電容器。

該混凝土電池系統可以為一個10瓦的LED燈供電約30小時。雖然這個儲能能力似乎遠低于鋰離子電池，但這并未考慮到結構基礎中使用的大量混凝土。一座基礎在1060到1410立方英尺之間的建筑可以儲存足夠的能量來供電住宅。

在工程師們對鋰離子電池進行調整和改進的同時，完全不同的電池系統，如這種混凝土超級電容器的替代方案也是可以設想的。可再生能源資源的指數增長要求能源儲存領域進行創新，麻省理工學院團隊正在重新構想未來的電池儲存可能性。