盡管近年來鋰離子電池的價格出現(xiàn)了大幅下跌，但大多數(shù)專家都認為，對于大規(guī)模電網(wǎng)級存儲而言，它們?nèi)匀惶嘿F了。鋰的相對稀缺也意味著它們不太可能滿足我們所有的能源需求。
科學(xué)家為了尋找用于存儲富余可再生能源的替代方案，開展了大量的研究。例如：用更廉價的熔融鹽電池，利用閑置電力壓縮空氣或抽水蓄能繼而用以驅(qū)動渦輪機等。
圖源：華盛頓大學(xué)
但是，似乎一直以來，潛在的能量存儲介質(zhì)一直擺在我們的觸手可及卻又常被忽視的地方。在Nature Communications上，一篇以“Energy storing bricks for stationary PEDOT supercapacitors”為題的論文給出了一個新的思路 ，華盛頓大學(xué)(圣路易斯)的Julio D′Arcy教授團隊證明，可以通過簡單的化學(xué)處理普通的磚塊，從而賦予它們類似電池的蓄電能力。研究團隊進一步表明，標(biāo)準(zhǔn)的建筑磚可以轉(zhuǎn)換成能量存儲單元，從而有可能將我們的房屋變成巨型電池。
圖1 傳統(tǒng)的磚塊已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蔀長ED燈供電的能量存儲設(shè)備圖源：華盛頓大學(xué)(圣路易斯)
能源、信息和材料作為現(xiàn)代社會發(fā)展的三大支柱，受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。能源危機是人類面臨的最嚴峻的挑戰(zhàn)之一，化解這一危機的一個有效方案就是可再生能源的開發(fā)與利用，如太陽能，風(fēng)能等。隨著太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等技術(shù)的快速發(fā)展，我們對可再生能源的捕獲和轉(zhuǎn)換已經(jīng)變得易如反掌，但是，能量存儲成了我們高效利用可再生能源之路上的攔路虎。
近年來，諾獎技術(shù)-鋰離子電池在能量存儲領(lǐng)域大放異彩：容量不斷增大、安全性不斷提高、成本不斷下降。但是，大部分專家認為其在大規(guī)模電網(wǎng)級儲能方面的造價依然很昂貴。為了獲得成本低廉的儲能材料，科學(xué)家連用于房屋建造的“板磚”都沒放過。
以往關(guān)于建筑物儲能方面的研究大多只關(guān)注熱能的存儲，在其他類型的能源存儲方面還未實現(xiàn)。例如一個來自德國研究團隊利用夜間的廉價電加熱用天然耐高溫火山巖砌成的墻體用以儲存熱能，白天再將熱能轉(zhuǎn)化為電能為建筑物供電。目前建筑物儲能形式單一、能量轉(zhuǎn)化率低，所以，拓展建筑物儲能形式將會極大地提高建筑物儲能容量和能量轉(zhuǎn)換效率。
為了解決這一問題，Julio D′Arcy教授團隊通過在建筑用紅磚上沉積導(dǎo)電聚合物的方法，將紅磚變成“ 儲能磚 ”。 該論文報道的“儲能磚”能在-20 - 60℃之間穩(wěn)定運行，這個溫區(qū)幾乎涵蓋了大部分地區(qū)的室外溫度;其次，“儲能磚”用環(huán)氧樹脂封裝之后，可以達到防水的目的，增加其環(huán)境穩(wěn)定性;此外，在充電-放電10000次循環(huán)以后，“儲能磚”仍能保持約90%的容量。令人驚喜的是，僅需3塊“儲能磚”，就能點亮一個LED約10分鐘之久。
紅磚之所以呈現(xiàn)紅色，是因為磚塊內(nèi)含有赤鐵礦(Fe2O3)，一塊普通紅磚含有約8%的赤鐵礦，這種赤鐵礦可以通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變成藍色的導(dǎo)電聚合物。得益于紅磚本身所具有的三維微孔結(jié)構(gòu)，使得紅磚成為一種潛在的擁有優(yōu)異機械性能的電極材料。
圖2 “板磚變電池”的化學(xué)反應(yīng)示意圖圖源：Nat Commun 11, 3882 (2020) Fig1
Julio D′Arcy教授團隊通過一步反應(yīng)法實現(xiàn)了在紅磚上氣相沉積導(dǎo)電聚合物(PEDOT)納米纖維涂層的目的。隨著反應(yīng)時間的推移，反應(yīng)逐漸從表面滲透到內(nèi)部，直至磚塊內(nèi)部微孔結(jié)構(gòu)中都富含導(dǎo)電聚合物(圖2)。
為了探究“儲能磚”的微孔結(jié)構(gòu)對其儲能性能的影響，研究人員對比了3種擁有不同微孔結(jié)構(gòu)的紅磚的儲能性質(zhì)。如圖3a所示，1號磚孔隙率較大，2號和3號磚孔隙率較小。雖然3種磚塊的表面都能沉積比較均勻的導(dǎo)電聚合物納米纖維(圖3b)，但是孔隙率小的磚塊中納米纖維的滲透作用差，跟磚塊表面之間出現(xiàn)了明顯的分層(圖3c-e)，并且極易被膠帶解理下來，這樣就會導(dǎo)致單塊紅磚的儲能密度降低。因此，微孔結(jié)構(gòu)對提升紅磚的儲能性質(zhì)起到了至關(guān)重要的作用。
圖3 “儲能磚”的微觀結(jié)構(gòu)表征圖源：Nat Commun 11, 3882 (2020) Fig2，F(xiàn)ig3
在兩塊覆蓋導(dǎo)電聚合物涂層的紅磚之間添加一層凝膠電解質(zhì)，就形成了“三明治 ”結(jié)構(gòu)的“儲能磚”電池。實驗數(shù)據(jù)表明，“儲能磚電池”在充放電循環(huán)10000次之后，容量依然保持在90%左右，庫倫效率接近100%(圖4a)。環(huán)氧樹脂封裝的 “儲能磚”表現(xiàn)出良好的防水性能(圖4b)。3塊“儲能磚”串聯(lián)起來，產(chǎn)生的電量可以驅(qū)動一個綠色LED持續(xù)發(fā)光約10分鐘(圖4c)。
圖4 “儲能磚”的性能表現(xiàn)圖源：Nat Commun 11, 3882 (2020) Fig5
無論是大規(guī)模太陽能電池板還是家用屋頂式太陽能裝置，都體現(xiàn)出人們對太陽能的需求是可持續(xù)快速增長的，因為它是一種可負擔(dān)的清潔能源。但是，在無太陽光照情況下如何儲存太陽能是目前面臨的挑戰(zhàn)之一。
雖然這些“智能磚”的性能暫時還無法與常規(guī)的太陽能儲能材料-鋰離子電池相匹敵，但是，研究人員樂觀地認為可以將這個新技術(shù)拓展到其它容易獲得的材料，達到儲能的目的。
這一切才剛剛開始。研究團隊表示他們已經(jīng)找到了可行的方案使 “儲能磚 ”的性能顯得到顯著提升。研究人員表示，他們已經(jīng)在進行下一步實驗，用復(fù)合材料替代當(dāng)前使用的納米纖維，希望能使“儲能磚”的容量提升一個數(shù)量級。此外，他們還致力于優(yōu)化制造流程以提高速度和降低成本。
圖5 “智能磚”的應(yīng)用示例：磚塊通過太陽能電池板充電，可以將能量傳遞到電氣設(shè)備圖源：華盛頓大學(xué)(圣路易斯)
盡管還有很長的路要走，但似乎未來的房屋可能是可以使用大量可再生能源為自己充電的巨型“能量屋 ”。
