混凝土，作為現(xiàn)代城市建設的基石，正在經(jīng)歷一場革命性的變革——它不再僅僅是支撐建筑的靜態(tài)材料，而是可能成為一種能夠儲存電能的“巨型電池”。近日，麻省理工學院（MIT）的研究團隊在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上發(fā)表了一項突破性成果，他們開發(fā)的“電子導電碳混凝土”（Electron-Conducting Carbon Concrete，簡稱 ec3）在能量存儲領域取得了顯著進展。

這種新型混凝土通過在傳統(tǒng)水泥和水的混合物中加入超細碳黑納米顆粒與電解質(zhì)，形成了一種內(nèi)部導電的“納米網(wǎng)絡”。研究人員發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)構使得混凝土不僅能夠承載重量，還能像電池一樣儲存電能。例如，一面普通地下室墻壁大小的 ec3 就可以儲存足夠的電能，滿足一個家庭一天的用電需求。

研究團隊最初在2023年提出，要讓混凝土具備足夠的儲能能力以滿足家庭日常用電，需要約45立方米的 ec3。然而，通過優(yōu)化電解質(zhì)的種類和添加工藝，他們成功將所需體積縮減至5立方米，儲能密度提升了整整一個數(shù)量級。這一突破意味著，未來的墻壁、人行道甚至橋梁都可能兼具儲能功能。

MIT 土木與環(huán)境工程系副教授阿德米爾·馬西奇指出：“混凝土的可持續(xù)性在于開發(fā)‘多功能混凝土’，讓它不僅是建筑材料，還能實現(xiàn)儲能、自愈和碳捕集等功能。既然混凝土已經(jīng)是全球使用最廣泛的建材，為什么不能利用它的規(guī)模創(chuàng)造更多價值呢？”

為了深入理解 ec3 的儲能機制，研究人員利用 FIB-SEM 層析技術（離子束逐層切割與掃描電鏡成像結(jié)合）首次在納米尺度上重建了其內(nèi)部的導電網(wǎng)絡。他們發(fā)現(xiàn)，碳黑顆粒在混凝土孔隙周圍形成了類似分形的“蜘蛛網(wǎng)”結(jié)構，這種結(jié)構既能被電解質(zhì)充分滲透，又能讓電流順暢流動，從而顯著增強了儲能性能。

基于對這種納米網(wǎng)絡的深入理解，研究團隊進一步探索了不同電解質(zhì)及其濃度的影響。他們發(fā)現(xiàn)，ec3 的適用范圍非常廣泛，甚至包括海水。這意味著 ec3 在近海和海洋環(huán)境中可能具有重要應用，例如作為海上風電的支撐結(jié)構。

在制備工藝上，研究團隊也進行了創(chuàng)新。此前，他們通常先讓 ec3 電極固化，再通過浸泡方式注入電解質(zhì)，但這種方式滲透效率有限。此次，他們改為在拌制混凝土時直接將電解質(zhì)加入拌水中，使得電解質(zhì)能夠自然均勻地分布在材料內(nèi)部。這一改進不僅提高了效率，還允許澆筑更厚的電極，從而增加了儲能容量。

在電解質(zhì)的選擇上，研究團隊發(fā)現(xiàn)，以季銨鹽（常見于消毒劑等日常產(chǎn)品）與乙腈（常用工業(yè)導電液體）為基礎的有機電解質(zhì)性能提升最為顯著。一個立方米的這種 ec3 能夠存儲超過2千瓦時的能量，足以維持一臺冰箱運行一整天。

盡管 ec3 的能量密度仍不及傳統(tǒng)電池，但它的獨特優(yōu)勢在于可以直接融入建筑結(jié)構本身，無論是地板、墻體，還是拱頂與穹窿。只要建筑存在，儲能功能也隨之延續(xù)，大大減少了后期維護與更換的需求。

馬西奇教授用古羅馬的萬神殿作類比：“古羅馬人在混凝土建造上取得了輝煌成就，至今仍屹立不倒的萬神殿未加鋼筋卻依然堅固。如果我們延續(xù)這種結(jié)合材料科學與建筑美學的精神，或許正站在一場‘多功能混凝土’建筑革命的門檻上。”

為了驗證 ec3 的實際應用潛力，研究團隊制作了一座微型 ec3 拱門。在9伏電壓下，這座拱門不僅能夠承重，還能點亮LED燈。有趣的是，當拱門負載增加時，燈光會出現(xiàn)閃爍，這提示了應力與電流分布之間的潛在關聯(lián)。未來，這種“波動”或許可以被用來實現(xiàn)結(jié)構的自監(jiān)測——當遭遇風荷載等外力時，建筑本身能通過電信號反饋出健康狀況。

事實上，ec3 已經(jīng)在現(xiàn)實中有所應用。在日本札幌，當?shù)卦闷鋵嵝阅芙ㄔ旒訜崛诵械溃匀〈鷤鹘y(tǒng)的撒鹽除冰方式。隨著儲能能力的提升，ec3 的應用前景更加廣闊。研究團隊設想的場景包括：停車場與道路可以為電動汽車提供無線充電；住宅與社區(qū)的房屋墻體可以儲能，使家庭實現(xiàn)“離網(wǎng)運行”；基礎設施如橋梁、地鐵甚至城市廣場可以成為分布式儲能網(wǎng)絡的一部分。

MIT 研究科學家達米安·斯特凡紐克指出：“我們的初衷之一就是助力可再生能源轉(zhuǎn)型。太陽能效率已大幅提升，但發(fā)電依賴日照。夜間和陰天如何滿足能源需求？答案就是儲能。而 ec3 能在不依賴稀缺或有害材料的前提下，提供解決方案。”

EC3 Hub聯(lián)合主任、MIT教授弗朗茨-約瑟夫·烏爾姆補充說：“以往的儲能主要依靠電池，但電池制造往往涉及稀缺甚至有害物質(zhì)。我們認為，ec3 能作為可行替代，讓建筑和基礎設施直接承擔儲能功能。”

康奈爾大學材料與設計技術副教授詹姆斯·韋弗總結(jié)道：“混凝土是古老的建材，而我們證明它可以承擔全新的功能。通過將現(xiàn)代納米科學與人類文明最基礎的材料結(jié)合，我們正在打開一扇大門，讓未來的基礎設施不僅承載生活，更為生活供能。”