混凝土，作为现代城市建设的基石，正在经历一场革命性的变革——它不再仅仅是支撑建筑的静态材料，而是可能成为一种能够储存电能的“巨型电池”。近日，麻省理工学院（MIT）的研究团队在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表了一项突破性成果，他们开发的“电子导电碳混凝土”（Electron-Conducting Carbon Concrete，简称 ec³）在能量存储领域取得了显著进展。
这种新型混凝土通过在传统水泥和水的混合物中加入超细碳黑纳米颗粒与电解质，形成了一种内部导电的“纳米网络”。研究人员发现，这种结构使得混凝土不仅能够承载重量，还能像电池一样储存电能。例如，一面普通地下室墙壁大小的 ec³ 就可以储存足够的电能，满足一个家庭一天的用电需求。
研究团队最初在2023年提出，要让混凝土具备足够的储能能力以满足家庭日常用电，需要约45立方米的 ec³。然而，通过优化电解质的种类和添加工艺，他们成功将所需体积缩减至5立方米，储能密度提升了整整一个数量级。这一突破意味着，未来的墙壁、人行道甚至桥梁都可能兼具储能功能。
MIT 土木与环境工程系副教授阿德米尔·马西奇指出：“混凝土的可持续性在于开发‘多功能混凝土’，让它不仅是建筑材料，还能实现储能、自愈和碳捕集等功能。既然混凝土已经是全球使用最广泛的建材，为什么不能利用它的规模创造更多价值呢？”
为了深入理解 ec³ 的储能机制，研究人员利用 FIB-SEM 层析技术（离子束逐层切割与扫描电镜成像结合）首次在纳米尺度上重建了其内部的导电网络。他们发现，碳黑颗粒在混凝土孔隙周围形成了类似分形的“蜘蛛网”结构，这种结构既能被电解质充分渗透，又能让电流顺畅流动，从而显著增强了储能性能。
基于对这种纳米网络的深入理解，研究团队进一步探索了不同电解质及其浓度的影响。他们发现，ec³ 的适用范围非常广泛，甚至包括海水。这意味着 ec³ 在近海和海洋环境中可能具有重要应用，例如作为海上风电的支撑结构。
在制备工艺上，研究团队也进行了创新。此前，他们通常先让 ec³ 电极固化，再通过浸泡方式注入电解质，但这种方式渗透效率有限。此次，他们改为在拌制混凝土时直接将电解质加入拌水中，使得电解质能够自然均匀地分布在材料内部。这一改进不仅提高了效率，还允许浇筑更厚的电极，从而增加了储能容量。
在电解质的选择上，研究团队发现，以季铵盐（常见于消毒剂等日常产品）与乙腈（常用工业导电液体）为基础的有机电解质性能提升最为显著。一个立方米的这种 ec³ 能够存储超过2千瓦时的能量，足以维持一台冰箱运行一整天。
尽管 ec³ 的能量密度仍不及传统电池，但它的独特优势在于可以直接融入建筑结构本身，无论是地板、墙体，还是拱顶与穹窿。只要建筑存在，储能功能也随之延续，大大减少了后期维护与更换的需求。
马西奇教授用古罗马的万神殿作类比：“古罗马人在混凝土建造上取得了辉煌成就，至今仍屹立不倒的万神殿未加钢筋却依然坚固。如果我们延续这种结合材料科学与建筑美学的精神，或许正站在一场‘多功能混凝土’建筑革命的门槛上。”
为了验证 ec³ 的实际应用潜力，研究团队制作了一座微型 ec³ 拱门。在9伏电压下，这座拱门不仅能够承重，还能点亮LED灯。有趣的是，当拱门负载增加时，灯光会出现闪烁，这提示了应力与电流分布之间的潜在关联。未来，这种“波动”或许可以被用来实现结构的自监测——当遭遇风荷载等外力时，建筑本身能通过电信号反馈出健康状况。
事实上，ec³ 已经在现实中有所应用。在日本札幌，当地曾利用其导热性能建造加热人行道，以取代传统的撒盐除冰方式。随着储能能力的提升，ec³ 的应用前景更加广阔。研究团队设想的场景包括：停车场与道路可以为电动汽车提供无线充电；住宅与社区的房屋墙体可以储能，使家庭实现“离网运行”；基础设施如桥梁、地铁甚至城市广场可以成为分布式储能网络的一部分。
MIT 研究科学家达米安·斯特凡纽克指出：“我们的初衷之一就是助力可再生能源转型。太阳能效率已大幅提升，但发电依赖日照。夜间和阴天如何满足能源需求？答案就是储能。而 ec³ 能在不依赖稀缺或有害材料的前提下，提供解决方案。”
EC³ Hub联合主任、MIT教授弗朗茨-约瑟夫·乌尔姆补充说：“以往的储能主要依靠电池，但电池制造往往涉及稀缺甚至有害物质。我们认为，ec³ 能作为可行替代，让建筑和基础设施直接承担储能功能。”
康奈尔大学材料与设计技术副教授詹姆斯·韦弗总结道：“混凝土是古老的建材，而我们证明它可以承担全新的功能。通过将现代纳米科学与人类文明最基础的材料结合，我们正在打开一扇大门，让未来的基础设施不仅承载生活，更为生活供能。”
