科技日报记者 金凤 通讯员 吴涵玉
水泥能发电还能储电？这幕听上去颇具科幻感的画面，正在东南大学上演。5月9日，中国工程院院士、东南大学教授缪昌文团队发布全球首创的仿生自发电-储能混凝土。该技术直击建筑行业高能耗痛点，以水泥为载体开辟全新能源路径，有望重塑未来建筑与能源格局。
有数据显示，目前，我国建筑全过程能耗占到全国能源消费总量的45%，碳排放量占全国排放总量超50%。同时，光伏发电受天气制约、储能成本高昂。
针对这些问题，东南大学团队研发出N型热电水泥和P型热电水泥两种自发电水泥基超材料，试图将水泥从“能源消耗者”变为“能源综合体”。
“其中，N型热电水泥塞贝克系数达-40.5m伏/开，是传统水泥基热电材料最高值的约10倍；P型热电水泥功率因数PF值是传统水泥基热电材料最高值的51倍，ZT值为传统水泥基热电材料最高值的42倍。”团队科研人员、东南大学教授周扬介绍，自发电水泥基超材料只要存在温差就能持续发电，这填补了清洁能源受天气制约的供应缺口。此外，其抗压强度提升60%、韧性增强近10倍，破解了传统热电材料力学性能不足的难题。
此外，团队还研发出自储电水泥基超级电容器，在保持水泥高强度的同时，将离子导电率提升6个数量级，具有良好的电化学可逆性与快速的电荷转移能力，2万次充放电循环后，仍然能保持其初始比电容的95%，可与建筑同寿命。
在此基础上，团队进一步基于特种磷酸镁水泥研发储能材料，离子电导率高达101.1毫西门子/厘米，超越现有商用固态电池材料。若将其制成储能墙板，可存储居民住宅约一天的用电量，与光伏配套使用，能提升光伏利用率30%以上，降低用电成本超过50%。
“成果的灵感源于我们对植物根茎的观察。自然界中，植物维管组织的层状木质结构不仅强韧，还能为离子传输提供高速通道，并通过界面选择性调控离子通过。”周扬说，受此启发，团队运用双向冷冻冰模板法，复刻植物维管的微观形态，并向层间孔隙填充柔性材料，实现水泥基材料高强、高韧、高离子导电率的统一，让水泥兼具建筑材料与能源载体的双重属性。
周扬表示，仿生自发电-储能混凝土有望重塑多个领域的能源格局。在建筑领域，自发电、自储能水泥制成的墙板可使建筑大幅降低对外部电网的依赖，变身绿色能量体；交通场景中，混凝土道面可凭借巨大表面积，成为可发电储电的零碳服务区；在偏远地区，无人基站、环境监测传感器等设备，可依靠水泥的自发电特性稳定运行，解决传统电源供应难题；低空经济领域，自供电混凝土跑道既能为飞行器提供无障碍起降场地，又能在其停留时极速补充续航能量，推动城市空中交通安全高效发展。
缪昌文表示，水泥混凝土材料正不断改写传统建材“结构承载—能源消耗”的单一属性，成果不仅为“双碳”目标提供关键技术支撑，也为人类绿色智能生活开辟无限可能。
