一塊水泥磚能給手機、汽車充電？是真的！5月9日，記者從東南大學了解到，由中國工程院院士、東南大學教授繆昌文和材料科學與工程學院教授周揚團隊研發的仿生自發電-儲能混凝土正式亮相。這項全球首創的技術直擊建筑行業高能耗痛點，將水泥從“能源消耗者”變為“能源綜合體”，實現自發電與自儲能的雙重突破。
歷時4年研發
讓水泥可發電、可儲能
“建筑行業的碳排放占社會碳排放總量的50%，能耗占比也超過45%以上。”周揚告訴記者，以太陽能光伏為代表的清潔能源技術，雖然可以有效地降低建筑碳排放，實現碳達峰、碳中和目標，但是受天氣制約大、儲能成本高昂等短板也愈發凸顯。為了解決這些問題，周揚團隊依托重大基礎設施工程材料全國重點實驗室，在國家自然科學基金首批原創-探索項目的資助下，歷時4年研發了仿生自發電-儲能混凝土，涵蓋自發電水泥基超材料、自儲電水泥基超級電容器兩大技術模塊，讓混凝土這種世界上用量最大的建筑材料變為能源的生產者、儲存者。
記者在現場看到，團隊成員將4塊自發電水泥串聯在一起后，產生了3.1伏的電壓，LED燈泡隨即亮了起來。水泥為什么可以自發電？周揚向記者解釋到：“有溫差，自發電水泥材料就可以將熱能轉化為電能，做到持續發電。這樣便填補了清潔能源受天氣制約的供應缺口。”。此外，自發電水泥在力學性能上同樣表現優異，抗壓強度提升60%、韌性增強近10倍，破解了傳統熱電材料力學性能不足的難題。
自儲電水泥同樣表現優異。現場，給一塊20厘米見方的水泥存好電后，就像一塊充電寶順順利利給手機充上了電。“混凝土本身是不導電的，我們在混凝土內部搭建了離子通道，在保持水泥高強度的同時，將離子導電率提升6個數量級，具有良好的電化學可逆性與快速的電荷轉移能力，20000次充放電循環后，仍然能保持其初始比電容的95%，可與建筑同壽命。”
另外，在此基礎上，團隊還進一步基于特種磷酸鎂水泥研發儲能材料，離子電導率高達101.1mS/cm，超越現有商用固態電池材料。經測算，如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%。
借鑒植物智慧
給水泥搭建離子“高速通道”
東大團隊研發的仿生自發電-儲能混凝土之所以能成為“全球首創”，其背后的仿生機制不可忽視。
“我們這兩項創新成果的核心靈感源于對植物根莖的深度觀察。”周揚表示，不同于傳統的混凝土攪拌工藝，團隊借鑒植物維管組織的層狀木質結構，為離子傳輸提供“高速通道”，并通過界面選擇性調控離子通過。
受此啟發，團隊開發了雙向冷凍冰模板法。給混凝土攪拌筒裝上兩個垂直的冷源，讓水結冰形成層狀結構。層狀的界面為水泥提供了生長模板，這樣就形成了一層水泥一層冰的形態。待冰融化后，利用壓力向水泥內填充柔性材料。
這樣一來，團隊成功復刻了植物維管的微觀形態，實現了水泥基材料高強、高韌、高離子導電率的統一，讓水泥兼具建筑材料與能源載體的雙重屬性。
應用前景廣闊
可充電道面最快年底見面
“在服務區里，新能源車主必須要找到一個充電樁才能給車充電。如果鋪設了我們這種材料，車主停到車位上便可充電。”周揚透露，目前，團隊已經與浙江省交通集團技術研究總院達成合作，可充電道面將在今年年底或明年初與大家見面。
此外，仿生自發電-儲能混凝土應用前景廣闊。建筑領域，自發電、自儲能水泥可以做墻板，大幅降低對外部電網的依賴；在偏遠地區，無人基站、環境監測傳感器等設備，將依靠水泥的自發電特性穩定運行，有效解決傳統電源供應難題；低空經濟領域，自供電混凝土跑道既能為飛行器提供無障礙起降場地，又能在其停留時補充續航能量，推動城市空中交通安全高效發展。
繆昌文院士表示，在全球朝著碳達峰、碳中和目標邁進的當下，水泥混凝土材料正不斷改寫傳統建材“結構承載-能源消耗”的單一屬性，朝著綠色低碳、多功能、可持續的方向發展，構建“材料-能源-環境”協同發展的新范式。團隊這項成果，不僅為“雙碳”目標提供關鍵技術支撐，更預示著未來建筑將從“環境負擔”轉變為“生態伙伴”，為人類綠色智能生活開辟無限可能。
