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(chǔ)存太陽升起或刮風(fēng)時(shí)產(chǎn)生的所有多余電力，以便在其他時(shí)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。現(xiàn)在，一個(gè)研究小組稱，一種經(jīng)典的建筑材料——紅燒磚可能會(huì)成為尋求儲(chǔ)能方法的競(jìng)爭(zhēng)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(zhǎng)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(jí)電容器。
超級(jí)電容器之所以引起人們的興趣，是因?yàn)榕c電池不同，超級(jí)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(chǔ)存的能量相對(duì)較少。在電動(dòng)汽車中，超級(jí)電容器支持加速，但鋰離子模塊提供數(shù)百英里的動(dòng)力。然而，許多科學(xué)家和技術(shù)開發(fā)人員希望超級(jí)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(jià)。
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(jí)存儲(chǔ)項(xiàng)目相去甚遠(yuǎn)。但D'Arcy說，這篇論文首次表明，磚可以儲(chǔ)存電能。他指出，在一個(gè)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(shí)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(jí)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(jí)電容器。
在蘇格蘭，格拉斯哥大學(xué)的一個(gè)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(gè)想法是，這些涂層布可以為可穿戴電子設(shè)備提供動(dòng)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(jí)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(jiǎn)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(huì)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生電壓，超級(jí)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(gè)數(shù)量級(jí)的差距”，就其所能儲(chǔ)存的能量而言。
他說：“這是我們?cè)噲D做的另一件事，幫助聚合物儲(chǔ)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。”