撰稿 | 秦炎（华中科技大学 ， 博士）
本文来源：《Light: Advanced Manufacturing》新媒体团队
可再生能源革命的最大障碍之一是如何在无太阳光照 ， 不刮风时存储电力 。
尽管近年来锂离子电池的价格出现了大幅下跌 ， 但大多数专家都认为 ， 对于大规模电网级存储而言 ， 它们仍然太昂贵了 。 锂的相对稀缺也意味着它们不太可能满足我们所有的能源需求 。
科学家为了寻找用于存储富余可再生能源的替代方案 ， 开展了大量的研究 。 例如：用更廉价的熔融盐电池 ， 利用闲置电力压缩空气或抽水蓄能继而用以驱动涡轮机等 。

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图源：华盛顿大学
但是 ， 似乎一直以来 ， 潜在的能量存储介质一直摆在我们的触手可及却又常被忽视的地方 。 在Nature Communications上 ， 一篇以“Energy storing bricks for stationary PEDOT supercapacitors”为题的论文给出了一个新的思路， 华盛顿大学（圣路易斯）的Julio D′Arcy教授团队证明 ， 可以通过简单的化学处理普通的砖块 ， 从而赋予它们类似电池的蓄电能力 。 研究团队进一步表明 ， 标准的建筑砖可以转换成能量存储单元 ， 从而有可能将我们的房屋变成巨型电池 。

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图1 传统的砖块已经转变为可为LED灯供电的能量存储设备
图源：华盛顿大学（圣路易斯）
能源、信息和材料作为现代社会发展的三大支柱 ， 受到了学术界和工业界的广泛关注 。 能源危机是人类面临的最严峻的挑战之一 ， 化解这一危机的一个有效方案就是可再生能源的开发与利用 ， 如太阳能 ， 风能等 。 随着太阳能发电和风力发电等技术的快速发展 ， 我们对可再生能源的捕获和转换已经变得易如反掌 ， 但是 ， 能量存储成了我们高效利用可再生能源之路上的拦路虎 。
近年来 ， 诺奖技术-锂离子电池在能量存储领域大放异彩：容量不断增大、安全性不断提高、成本不断下降 。 但是 ， 大部分专家认为其在大规模电网级储能方面的造价依然很昂贵 。 为了获得成本低廉的储能材料 ， 科学家连用于房屋建造的“板砖”都没放过 。
以往关于建筑物储能方面的研究大多只关注热能的存储 ， 在其他类型的能源存储方面还未实现 。 例如一个来自德国研究团队利用夜间的廉价电加热用天然耐高温火山岩砌成的墙体用以储存热能 ， 白天再将热能转化为电能为建筑物供电 。 目前建筑物储能形式单一、能量转化率低 ， 所以 ， 拓展建筑物储能形式将会极大地提高建筑物储能容量和能量转换效率 。

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图源：E2S
为了解决这一问题 ， Julio D′Arcy教授团队通过在建筑用红砖上沉积导电聚合物的方法 ， 将红砖变成“储能砖” 。 该论文报道的“储能砖”能在-20 - 60℃之间稳定运行 ， 这个温区几乎涵盖了大部分地区的室外温度；其次 ， “储能砖”用环氧树脂封装之后 ， 可以达到防水的目的 ， 增加其环境稳定性；此外 ， 在充电-放电10000次循环以后 ， “储能砖”仍能保持约90%的容量 。 令人惊喜的是 ， 仅需3块“储能砖” ， 就能点亮一个LED约10分钟之久 。
红砖之所以呈现红色 ， 是因为砖块内含有赤铁矿（Fe2O3） ， 一块普通红砖含有约8%的赤铁矿 ， 这种赤铁矿可以通过化学反应转变成蓝色的导电聚合物 。 得益于红砖本身所具有的三维微孔结构 ， 使得红砖成为一种潜在的拥有优异机械性能的电极材料 。
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图2 “板砖变电池”的化学反应示意图
图源：Nat Commun 11, 3882 (2020) Fig1
Julio D′Arcy教授团队通过一步反应法实现了在红砖上气相沉积导电聚合物（PEDOT）纳米纤维涂层的目的 。 随着反应时间的推移 ， 反应逐渐从表面渗透到内部 ， 直至砖块内部微孔结构中都富含导电聚合物（图2） 。
为了探究“储能砖”的微孔结构对其储能性能的影响 ， 研究人员对比了3种拥有不同微孔结构的红砖的储能性质 。 如图3a所示 ， 1号砖孔隙率较大 ， 2号和3号砖孔隙率较小 。 虽然3种砖块的表面都能沉积比较均匀的导电聚合物纳米纤维（图3b） ， 但是孔隙率小的砖块中纳米纤维的渗透作用差 ， 跟砖块表面之间出现了明显的分层（图3c-e） ， 并且极易被胶带解理下来 ， 这样就会导致单块红砖的储能密度降低 。 因此 ， 微孔结构对提升红砖的储能性质起到了至关重要的作用 。

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图3 “储能砖”的微观结构表征
图源：Nat Commun 11, 3882 (2020) Fig2 ， Fig3
在两块覆盖导电聚合物涂层的红砖之间添加一层凝胶电解质 ， 就形成了“三明治”结构的“储能砖”电池 。 实验数据表明 ， “储能砖电池”在充放电循环10000次之后 ， 容量依然保持在90%左右 ， 库伦效率接近100%（图4a） 。 环氧树脂封装的 “储能砖”表现出良好的防水性能（图4b） 。 3块“储能砖”串联起来 ， 产生的电量可以驱动一个绿色LED持续发光约10分钟（图4c） 。
图4 “储能砖”的性能表现
图源：Nat Commun 11, 3882 (2020) Fig5
无论是大规模太阳能电池板还是家用屋顶式太阳能装置 ， 都体现出人们对太阳能的需求是可持续快速增长的 ， 因为它是一种可负担的清洁能源 。 但是 ， 在无太阳光照情况下如何储存太阳能是目前面临的挑战之一 。
虽然这些“智能砖”的性能暂时还无法与常规的太阳能储能材料-锂离子电池相匹敌 ， 但是 ， 研究人员乐观地认为可以将这个新技术拓展到其它容易获得的材料 ， 达到储能的目的 。
这一切才刚刚开始 。 研究团队表示他们已经找到了可行的方案使 “储能砖”的性能显得到显著提升 。 研究人员表示 ， 他们已经在进行下一步实验 ， 用复合材料替代当前使用的纳米纤维 ， 希望能使“储能砖”的容量提升一个数量级 。 此外 ， 他们还致力于优化制造流程以提高速度和降低成本 。

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图5 “智能砖”的应用示例：砖块通过太阳能电池板充电 ， 可以将能量传递到电气设备
图源：华盛顿大学（圣路易斯）
尽管还有很长的路要走 ， 但似乎未来的房屋可能是可以使用大量可再生能源为自己充电的巨型“能量屋” 。
文章信息
Wang, H., Diao, Y., Lu, Y. et al. Energy storing bricks for stationary PEDOT supercapacitors. Nat Commun 11, 3882 (2020)
论文地址
本文编辑：赵阳
来源：LAM
【电池|板砖也能变电池？不说了，去搬砖了】
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来源：(中科院高能所)

【】网址：/a/2020/0925/kd536158.html

标题：电池|板砖也能变电池？不说了，去搬砖了