隨著太陽能電池板和風(fēng)力渦輪機(jī)的不斷增加，最大的問題是如何儲存太陽升起或刮風(fēng)時產(chǎn)生的所有多余電力，以便在其他時間使用。潛在的解決方案已經(jīng)以多種形式被提出，包括巨大的電池組、快速旋轉(zhuǎn)的飛輪和地下氣穴?，F(xiàn)在，一個研究小組稱，一種經(jīng)典的建筑材料——紅燒磚可能會成為尋求儲能方法的競爭者。
普通的磚像海綿一樣多孔，它的紅色是由于富含氧化鐵的色素沉淀。Julio D'Arcy和他的同事發(fā)現(xiàn)，這兩種特性都為導(dǎo)電聚合物的生長和承載提供了理想的條件。位于圣路易斯的華盛頓大學(xué)的研究小組將基本的磚塊改造成了可以照亮發(fā)光二極管的超級電容器。
超級電容器之所以引起人們的興趣，是因?yàn)榕c電池不同，超級電容器可以提供快速的能量爆發(fā)，并且能夠快速充電。缺點(diǎn)是，與電池相比，它們儲存的能量相對較少。在電動汽車中，超級電容器支持加速，但鋰離子模塊提供數(shù)百英里的動力。然而，許多科學(xué)家和技術(shù)開發(fā)人員希望超級電容器能夠在許多應(yīng)用中取代傳統(tǒng)電池，因?yàn)椴傻V和處理金屬造成了巨大的環(huán)境代價。
華盛頓大學(xué)化學(xué)系助理教授D'Arcy說，建筑磚概念驗(yàn)證項(xiàng)目為世界上許多磚墻和結(jié)構(gòu)提供了新的可能性。通過電線連接的屋頂太陽能電池板可以為磚塊充電，進(jìn)而為應(yīng)急照明或其他應(yīng)用提供內(nèi)部備用電源。
Image: D'Arcy Laboratory/Washington University in St. Louis
A brick supercapacitor coated with a simple five-minute epoxy is immersed in water, demonstrating the device's impermeability.
他在電話中說：“如果我們成功（擴(kuò)大規(guī)模），你的房子就不再需要電池了。磚塊本身就是電池。”
近日出版的《自然通訊（Nature Communications）》雜志描述了這種新型設(shè)備，與加州沙漠和中國農(nóng)村等地正在進(jìn)行的兆瓦級存儲項(xiàng)目相去甚遠(yuǎn)。但D'Arcy說，這篇論文首次表明，磚可以儲存電能。他指出，在一個尋求創(chuàng)意的領(lǐng)域，它提供了發(fā)人深思的東西。
研究人員首先在一家大型五金店購買一堆65美分的紅磚。在實(shí)驗(yàn)室里，他們研究了這種材料的微觀結(jié)構(gòu)，并用蒸汽填充磚的許多孔隙。接下來，把磚塊放進(jìn)加熱到160攝氏度的烤箱。氧化鐵引發(fā)了一種化學(xué)反應(yīng)，在磚的空腔上覆蓋了一層薄薄的PEDOT，一種被稱為聚（3，4-乙基二氧噻吩）的聚合物。
從爐子里冒出來的磚塊帶有一種黑藍(lán)色的色調(diào)，并且能夠?qū)щ姟?/p>
D'Arcy的團(tuán)隊(duì)隨后將銅導(dǎo)線連接到兩塊涂有涂層的磚上。為了防止磚塊疊在一起時短路，研究人員用一層薄薄的聚丙烯塑料薄膜將這些磚塊分開。以硫酸為基礎(chǔ)的溶液作為液體電解液，通過銅導(dǎo)線將磚塊連接到AAA電池上大約一分鐘。一旦充電，這些磚塊可以為白色LED供電11分鐘。
D'Arcy說，如果把這種超級電容器應(yīng)用到50塊磚上，它可以為3瓦的燈供電大約50分鐘。這種電流裝置可以在充電10000次后仍能保持原有電容的90%。研究人員正在進(jìn)一步開發(fā)這種聚合物的化學(xué)性質(zhì)，以期達(dá)到10萬次充電。
然而，并非只有圣路易斯的研究人員在尋求使用日常材料來制造超級電容器。
在蘇格蘭，格拉斯哥大學(xué)的一個研究小組已經(jīng)開發(fā)出一種可以利用人體汗液充電的靈活裝置。研究人員在一塊聚酯纖維布上涂上一層薄薄的PEDOT，吸收穿著者的汗液，產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)并發(fā)電。這個想法是，這些涂層布可以為可穿戴電子設(shè)備提供動力，只需少量的汗水就可以保持運(yùn)轉(zhuǎn)。
印度海得拉巴理工學(xué)院正在探索將玉米殼用于高壓超級電容器。印度的玉米生產(chǎn)州產(chǎn)生了大量的谷殼廢料，研究人員稱這些廢料可以轉(zhuǎn)化為活性炭電極。根據(jù)《能源雜志》（Journal of Power Sources）最近的一項(xiàng)研究，生物質(zhì)為聚合物和類似材料制成的電極提供了一種潛在的更便宜、更簡單的替代品。
然而，要真正進(jìn)入電池的主導(dǎo)地位，化學(xué)反應(yīng)會驅(qū)動產(chǎn)生電壓，超級電容器需要顯著提高其能量密度。D'Arcy說他的充電磚與鋰離子電池相比“兩個數(shù)量級的差距”，就其所能儲存的能量而言。
他說：“這是我們試圖做的另一件事，幫助聚合物儲存更多的能量。很多團(tuán)體都在嘗試這樣做，”他補(bǔ)充道，“但他們沒有用磚塊來做。”