科技日報記者 金鳳 通訊員 吳涵玉

水泥能發(fā)電還能儲電？這幕聽上去頗具科幻感的畫面，正在東南大學(xué)上演。5月9日，中國工程院院士、東南大學(xué)教授繆昌文團隊發(fā)布全球首創(chuàng)的仿生自發(fā)電-儲能混凝土。該技術(shù)直擊建筑行業(yè)高能耗痛點，以水泥為載體開辟全新能源路徑，有望重塑未來建筑與能源格局。

有數(shù)據(jù)顯示，目前，我國建筑全過程能耗占到全國能源消費總量的45%，碳排放量占全國排放總量超50%。同時，光伏發(fā)電受天氣制約、儲能成本高昂。

針對這些問題，東南大學(xué)團隊研發(fā)出N型熱電水泥和P型熱電水泥兩種自發(fā)電水泥基超材料，試圖將水泥從“能源消耗者”變?yōu)椤澳茉淳C合體”。

“其中，N型熱電水泥塞貝克系數(shù)達-40.5m伏/開，是傳統(tǒng)水泥基熱電材料最高值的約10倍；P型熱電水泥功率因數(shù)PF值是傳統(tǒng)水泥基熱電材料最高值的51倍，ZT值為傳統(tǒng)水泥基熱電材料最高值的42倍。”團隊科研人員、東南大學(xué)教授周揚介紹，自發(fā)電水泥基超材料只要存在溫差就能持續(xù)發(fā)電，這填補了清潔能源受天氣制約的供應(yīng)缺口。此外，其抗壓強度提升60%、韌性增強近10倍，破解了傳統(tǒng)熱電材料力學(xué)性能不足的難題。

此外，團隊還研發(fā)出自儲電水泥基超級電容器，在保持水泥高強度的同時，將離子導(dǎo)電率提升6個數(shù)量級，具有良好的電化學(xué)可逆性與快速的電荷轉(zhuǎn)移能力，2萬次充放電循環(huán)后，仍然能保持其初始比電容的95%，可與建筑同壽命。

在此基礎(chǔ)上，團隊進一步基于特種磷酸鎂水泥研發(fā)儲能材料，離子電導(dǎo)率高達101.1毫西門子/厘米，超越現(xiàn)有商用固態(tài)電池材料。若將其制成儲能墻板，可存儲居民住宅約一天的用電量，與光伏配套使用，能提升光伏利用率30%以上，降低用電成本超過50%。

“成果的靈感源于我們對植物根莖的觀察。自然界中，植物維管組織的層狀木質(zhì)結(jié)構(gòu)不僅強韌，還能為離子傳輸提供高速通道，并通過界面選擇性調(diào)控離子通過。”周揚說，受此啟發(fā)，團隊運用雙向冷凍冰模板法，復(fù)刻植物維管的微觀形態(tài)，并向?qū)娱g孔隙填充柔性材料，實現(xiàn)水泥基材料高強、高韌、高離子導(dǎo)電率的統(tǒng)一，讓水泥兼具建筑材料與能源載體的雙重屬性。

周揚表示，仿生自發(fā)電-儲能混凝土有望重塑多個領(lǐng)域的能源格局。在建筑領(lǐng)域，自發(fā)電、自儲能水泥制成的墻板可使建筑大幅降低對外部電網(wǎng)的依賴，變身綠色能量體；交通場景中，混凝土道面可憑借巨大表面積，成為可發(fā)電儲電的零碳服務(wù)區(qū)；在偏遠(yuǎn)地區(qū)，無人基站、環(huán)境監(jiān)測傳感器等設(shè)備，可依靠水泥的自發(fā)電特性穩(wěn)定運行，解決傳統(tǒng)電源供應(yīng)難題；低空經(jīng)濟領(lǐng)域，自供電混凝土跑道既能為飛行器提供無障礙起降場地，又能在其停留時極速補充續(xù)航能量，推動城市空中交通安全高效發(fā)展。

繆昌文表示，水泥混凝土材料正不斷改寫傳統(tǒng)建材“結(jié)構(gòu)承載—能源消耗”的單一屬性，成果不僅為“雙碳”目標(biāo)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐，也為人類綠色智能生活開辟無限可能。