第 1 节：执行摘要

报告概念简介

储能混凝土是一种新兴的多功能材料，它将传统混凝土的承重能力与电化学储能功能相结合。在全球能源结构向太阳能、风能等间歇性可再生能源转型的背景下，对可扩展、安全且可持续的储能技术的需求日益迫切。储能混凝土技术为应对这一挑战提供了潜在的解决方案，旨在稳定依赖间歇性能源的电网 (1)。

关键技术路径

目前，该技术主要沿着两条主流路径发展：其一是以麻省理工学院（MIT）为代表的水泥基超级电容器，它通过静电方式储存能量，特点是充放电速度快；其二是以查尔姆斯理工大学为代表的水泥基可充电电池，它通过化学反应储存能量 (4)。这两种路径利用不同的电化学原理，决定了其各自的性能特点和应用场景。

主要研究发现

本报告的核心发现包括：该技术目前仍处于早期研发阶段，但已取得显著进展。性能方面，MIT最新的超级电容器原型能量密度已超过 (7)，而查尔姆斯大学的电池原型能量密度约为

(9)。在应用潜力方面，该技术有望在智能基础设施领域发挥变革性作用，例如实现道路的自充电功能、建筑物的能源自主等 (11)。其关键优势在于使用了水泥、碳、铁、镍等储量丰富、成本低廉的材料，这与依赖锂、钴等稀有金属的锂离子电池技术形成了鲜明对比 (1)。

主要挑战与展望

尽管前景广阔，该技术的商业化仍面临三大主要障碍：首先，与传统电池相比，其能量密度仍然较低；其次，必须确保其长期耐用性，以匹配基础设施长达数十年的使用寿命；最后，规模化生产和系统集成方面存在重大的技术挑战 (5)。本报告对该技术的未来持谨慎乐观态度，其最终成功将取决于材料科学与工程领域的进一步突破。

第 2 节：多功能混凝土简介

范式转变

几千年来，混凝土一直被视为一种被动的结构材料。然而，随着科技的发展，它正经历一场从被动承重到主动实现多功能化的范式转变 (17)。混凝土的生产是全球二氧化碳排放和能源消耗的主要来源之一 (18)，因此，为其赋予储能等高附加值功能，是提升其可持续性、推动建筑行业绿色转型的一条关键路径。

储能的战略必要性

全球能源体系正在向可再生能源转型，这一宏观背景凸显了储能技术的战略重要性。太阳能和风能的间歇性与波动性要求电网具备大规模的储能能力，以平衡电力供需。现有的储能解决方案，如锂离子电池，虽然技术成熟，但面临着成本高昂、存在安全隐患、受地理条件限制以及依赖锂和钴等稀缺战略资源的多重挑战 (1)。这促使科学界和工业界积极探索更具可扩展性、安全性和经济性的新型储能技术。

结构储能：核心价值主张

“无质量储能”（massless energy storage）是结构储能领域的核心概念，其理念是将储能功能直接集成到建筑物、车辆或基础设施的承重构件中。这种设计理念消除了专用电池组所带来的额外质量和体积，提供了一种高度集成且具有成本效益的解决方案 (15)。本报告聚焦于如何利用全球使用最广泛的建筑材料——混凝土——来实现这一革命性构想 (5)。

储能混凝土的研发并非仅仅是材料科学的渐进式改良，它代表了土木工程、电化学和信息技术三个领域的深度融合。这种跨界融合是应对全球脱碳化和建筑环境数字化双重压力的必然产物。首先，其根本驱动力源于电网级别的储能需求，这是一个仅靠消费级电池因规模、成本和材料限制而无法解决的宏大问题 (1)。其次，人类建造的规模最大、最持久的系统是基础设施（如建筑、道路、桥梁），而这些设施主要由混凝土构成 (5)。因此，将大规模、长时程的储能系统集成到基础设施本身，是最合乎逻辑的选择，这构成了土木工程领域的根本动机。为了使混凝土具备储能能力，必须运用电化学原理（如超级电容器或电池）从根本上改变其材料特性，这是电化学领域的驱动力 (4)。一旦基础设施能够储存和释放能量，它就转变为智能电网中的一个活性节点。当结合其固有的压阻传感特性时，它还能成为一个用于结构健康监测的数据生成平台。这便是信息技术领域的推动力 (21)。结构、能源和数据这三大要素的结合，定义了“智能基础设施”的真正内涵，也是这项技术最终可能带来的深远影响。

第 3 节：水泥基电化学系统的基本原理

3.1 超级电容器模式：双电层电容（EDLC）

工作机理阐述

双电层电容（Electrochemical Double-Layer Capacitance, EDLC）是一种基于静电物理过程的储能机理，不涉及化学反应。其核心原理是：当在两个导电电极之间施加电压时，电解液中的离子会分别向带有相反电荷的电极表面迁移和富集。这些离子在电极/电解液界面处形成一个由两层电荷组成的、厚度仅为原子尺度的“双电层”，其结构类似于一个传统的平行板电容器，但由于其巨大的比表面积，能够储存可观的电荷 (11)。由于能量储存过程是纯物理的，EDLC机制赋予了超级电容器极快的充放电速率和超长的循环寿命 (6)。

组成材料的作用

  • 水泥基体： 水化后的水泥浆体不仅提供了材料的结构骨架，更关键的是形成了一个天然的多孔网络通道。这种微观孔隙结构对于电解液的渗透和离子的传输至关重要 (13)。

  • 导电填料（纳米炭黑）： 在水泥搅拌过程中，加入少量（例如，在MIT的模型中约占总体积的3%）的纳米级炭黑颗粒 (13)。在水泥水化和硬化过程中，这些颗粒会自发地组装成一个遍布整个水泥基体的、相互连通的、具有分形特征的导电网络 (1)。这个三维导电网络充当了超级电容器的电极，其巨大的内表面积是实现高电容储存的核心。

  • 电解液： 将水基电解液（如氯化钾，KCl）或有机电解液引入到多孔基体中。电解液提供了可移动的离子，这些离子在碳-电解液界面处形成双电层，从而实现电荷的储存 (7)。

3.2 电池模式：基于氧化还原反应的储能

工作机理阐述

与超级电容器不同，电池模式的储能混凝土依赖于可逆的化学反应（氧化还原反应）来储存和释放能量，其工作原理与传统电池类似。该系统包含一个阳极（发生氧化反应）和一个阴极（发生还原反应），两者之间由一个能够传导离子的电解质隔开 (3)。这种储能方式通常能提供比超级电容器更高的能量密度，但其功率密度和循环寿命则相对较低 (21)。

组成材料的作用（以查尔姆斯大学模型为例）

  • 阳极/阴极： 该设计不采用分散的导电填料作为电极，而是使用独立的电极结构。在查尔姆斯大学的原型中，电极由涂覆了电化学活性金属的碳纤维网构成：其中，涂覆铁（Fe）的碳纤维网作为阳极，而涂覆镍基氧化物（Ni）的碳纤维网作为阴极 (5)。

  • 水泥基电解质/隔膜： 水泥浆体本身同时扮演了电解质和隔膜的角色。为了提高其离子导电性，研究人员在水泥混合物中添加了短切碳纤维（约占体积的0.5%），以促进离子在阳极和阴极之间的迁移 (9)。

超级电容器和电池这两种技术路线的选择，反映了“体激活”（bulk activation）与“嵌入式组件”（embedded components）两种截然不同的设计哲学。这一选择对制造复杂性、失效模式和可扩展性具有深远影响。MIT的超级电容器方案追求的是“体激活”，即通过在整个混凝土体积内均匀分散纳米颗粒，使材料本身成为电化学活性物质 (1)。这种方法的优势在于概念简单，且易于构建巨大的单体结构。然而，其性能受限于复合材料的本征属性，导致能量密度较低，并且一旦发生局部失效（如钻孔导致的短路），可能会影响一大片区域的功能 (6)。相比之下，查尔姆斯大学的电池方案采用的是“嵌入式组件”策略，即将性能更高的独立电池元件（涂层网）植入到一个相对非活性的结构基体中 (5)。这种方法的优势在于活性区域的性能更高，且电池单元的设计更可控。但其缺点是制造工艺更为复杂（需要精确定位网格），并且在电极与水泥基体之间可能存在界面失效的风险。这揭示了两条截然不同的发展路径：超级电容器的进步依赖于纳米复合材料科学的突破，以提升材料的整体性能；而电池的进步则依赖于制造和集成技术的革新，以实现可靠的大规模结构化电池阵列。这也为两种技术路线分别定义了核心的研究挑战。

第 4 节：关键技术深度解析：两大研究中心的探索

4.1 MIT的导电碳混凝土（ec³）：超级电容器路径

  • 主要研究者与机构： 这项开创性工作由麻省理工学院（MIT）的Franz-Josef Ulm和Admir Masic等研究人员领导，现已整合到新成立的MIT ec³中心进行系统性研究 (6)。

  • 材料配方与制备： 该系统通过将波特兰水泥、水和少量纳米炭黑混合制成 (2)。早期版本的制备方法需要在混凝土固化后，将其浸泡在如KCl之类的电解液中 (23)。近期的重大突破在于将电解液直接添加到搅拌用水中，并采用了性能更优的有机电解质（季铵盐与乙腈的混合物），这一改进不仅显著提升了性能，也简化了制造流程 (7)。

  • 微观结构特征： 该系统的核心在于水泥水化过程中自发形成的、具有分形特征的炭黑导电网络。研究团队利用先进的聚焦离子束-扫描电子显微镜（FIB-SEM）断层成像技术，成功地将这一微观结构可视化，证实了材料内部形成了用于电荷储存的、巨大的、相互连通的内表面 (1)。

  • 性能演进： 2023年公布的初代原型，需要约45立方米的体积才能储存10千瓦时（kWh）的能量，这相当于一个普通家庭的日均用电量 (13)。到2025年底，通过优化电解质和实现更厚电极的浇筑，储存相同能量所需的体积已大幅减少至约5立方米 (7)。最新报道的能量密度已超过
    （或 ）(7)。研究团队已构建出能够为LED灯、风扇和游戏机供电的原型装置 (7)。

  • 知识产权： 该核心技术受到专利保护，例如专利号为US20190218144A1的专利，其保护范围涵盖了这种导电碳基水泥复合材料。专利发明人包括Ulm和Pellenq，专利权人包括MIT和法国国家科学研究中心（CNRS）等。该专利明确将其应用领域定义为“作为自主住宅的能源解决方案的结构性超级电容器” (25)。

4.2 查尔姆斯理工大学的可充电混凝土电池

  • 主要研究者与机构： 该研究由瑞典查尔姆斯理工大学的Emma Zhang博士和Luping Tang教授领导 (5)。

  • 系统架构： 该设计采用了一种含有短切碳纤维（约0.5%）的水泥基混合物，以增强其离子导电性。在该基体中，嵌入了两层经过金属涂覆的碳纤维网：一层涂覆了铁作为阳极，另一层涂覆了镍作为阴极 (5)。这一设计构成了世界上首个可充电水泥基电池的概念 (10)。

  • 制备方法： 研究人员测试了两种电极制备方法：粉末混合法和金属涂覆法（电镀）。实验结果表明，采用金属涂覆法制备的镍-铁（Ni-Fe）电池表现出最佳性能 (9)。

  • 性能报告： 该原型在六次充放电循环中，实现了 或 的平均能量密度 (9)。尽管这一数值比早期的混凝土电池尝试高出十倍以上，但与商业化电池相比仍然存在巨大差距 (5)。该设计的核心创新在于实现了可充电性 (26)。

  • 学术发表： 主要研究成果于2021年发表在《Buildings》期刊上 (9)。

两个研究团队报告的性能指标——MIT的 与查尔姆斯大学的 或 ——看似不同，但其背后揭示了系统设计理念和应用焦点的关键差异。MIT采用的体积能量密度（）指标，非常适合评估大型、整体式结构，如建筑地基。由于其ec³技术是一种“体”材料，其性能是内禀的，并随体积成比例增加 (1)。因此，以每立方米储存的能量来衡量是最合乎逻辑的。他们的目标应用场景，如能为一个家庭供电一天的房屋地基（初步计算约45立方米），正是一个巨大的体积型结构 (13)。相比之下，查尔姆斯大学的电池是采用薄层、网状电极构建的 (5)，其能量储存主要集中在这些薄层中。因此，采用单位面积能量密度（

）来报告其原型性能，是一个非常务实的度量方式。这暗示了其技术更适用于表面积比体积更重要的应用场景，例如建筑外墙面板或道路表层。这种差异并非无关紧要，它表明“最佳”技术可能完全取决于具体的建筑或土木工程应用。对于大坝或大型地基等巨型结构，MIT的体激活方法可能更具成本效益且易于实施。而对于建筑外立面的改造或薄层道路的铺设，查尔姆斯大学的层状嵌入方法可能更为适宜。因此，性能指标的选择，实际上反映了其背后隐含的设计哲学和应用策略。

第 5 节：性能基准与对比分析

本节将通过以下详细的对比表格，对储能混凝土技术的当前能力与成熟的行业基准进行严格评估。

表 5.1：水泥基储能系统与传统锂离子电池的性能对比分析

参数 MIT ec³ 超级电容器 查尔姆斯大学电池 商用锂离子电池（典型值）
技术类型 结构性超级电容器 结构性可充电电池 电化学电池
储能机理 双电层电容 (EDLC) (11) 氧化还原反应 (Ni-Fe 电对) (4) 锂离子嵌入/脱出
核心材料 水泥、纳米炭黑、水、电解液 (KCl, 有机物) (2) 水泥、碳纤维、Ni/Fe涂层碳网 (5) 石墨负极、金属氧化物正极 (Li, Co, Ni, Mn)、有机电解液
能量密度 极低: 约 (或 ) - 最新原型 (7) 极低: 约 (9) 高: 约 (21)
功率密度 高: (超级电容器特性，支持快速充放电) (6) 中等: (受限于水泥基体中的离子电导率) (21) 中到高:
循环寿命 极高: (EDLC不涉及化学反应，寿命长) (20) 中等: (受限于氧化还原反应稳定性；数据初步) (30) 中等: (约1,000-5,000次循环)
耐久性与寿命 挑战: 需匹配混凝土50-100年的寿命，长期稳定性待验证。 重大挑战: 需匹配基础设施寿命；存在电极腐蚀/分层风险 (5)。 有限: 通常为8-15年。
安全性 潜在风险: 钻孔/损坏可能导致短路 (6)。无热失控风险。 潜在风险: 与其他电池类似，但嵌入在不燃基体中。 高风险: 存在热失控和火灾隐患，因使用易燃有机电解液 (1)。
成本与材料 极低: 基于储量丰富的水泥和碳 (2)。 低: 基于储量丰富的铁、镍、碳和水泥 (3)。 高: 依赖稀缺且昂贵的锂、钴、镍 (1)。

对于这项新兴技术而言，最关键但又常被忽视的性能指标，并非简单的单位体积能量密度（），而应是结构集成储能的全生命周期成本（以美元/千瓦时·年，即 为单位）。虽然其能量密度低是一个显著弱点，但其巨大的应用规模和潜在的超长使用寿命，可能使其在固定式、长时程储能应用中具备经济上的比较优势。直接比较能量密度（）会使水泥基储能系统显得毫无竞争力，因为它比锂离子电池低了几个数量级 (21)。然而，一个电网级锂离子电池储能站的总成本，不仅包括电池本身，还包括电池的机柜、放置机柜的混凝土基础以及其占用的土地。对于储能混凝土而言，“机柜”和“基础”的成本已经包含在建筑物的建造成本中 (2)，其增量成本仅来自于功能性添加剂（如炭黑等）。此外，如果该系统能像建筑物一样持续使用50年，而非锂电池的10-15年，其全生命周期的单位能量成本将被大幅摊薄。因此，真正的经济分析必须将材料的增量成本分摊到整个结构的使用寿命中。这个新的衡量标准（

）很可能会揭示，对于需要大规模、长时程储能的应用（例如建筑物的季节性储能），储能混凝土尽管体积能量密度不高，却可能成为一匹“黑马”，具备强大的市场竞争力。这一视角彻底重构了围绕该技术的经济性讨论框架。

第 6 节：在智能与可持续基础设施中的应用

6.1 建筑结构储能

  • 概念： 最核心的应用是将建筑构件（如地基、墙体、立柱、楼板）转变为大规模的电池或超级电容器 (1)。这能够实现分布式储能，使建筑物能够储存来自屋顶太阳能板的电力，从而实现离网运行或为电网提供调峰等辅助服务 (11)。

  • 示例： MIT的研究计算表明，一个5立方米的混凝土结构足以储存一个家庭一天的用电量，这生动地展示了这一愿景的可行性 (7)。

6.2 智能交通系统

  • 无线充电道路： 一项备受瞩目的未来应用是建造能够为行驶中的电动汽车进行无线充电的道路，这将彻底消除里程焦虑，并减少车辆对大容量车载电池的依赖 (2)。该应用场景要求系统具备高功率密度和快速充放电能力，因此更适合采用超级电容器技术路线。

  • 自加热路面： 利用导电混凝土的电阻特性，可以实现路面的自加热功能。MIT的ec³技术已在日本札幌市的一个试点项目中得到验证，用于制造自加热人行道板以融冰除雪，这不仅提高了冬季行人的安全，还减少了对具有腐蚀性的融雪盐的依赖 (7)。

6.3 集成传感与监测

  • 结构健康监测（SHM）： 导电混凝土具有压阻效应，即其电阻会随着所受机械应力或应变的变化而改变 (20)。通过监测这些电阻变化，混凝土结构可以“感知”自身的健康状况，实时检测裂缝、腐蚀或过载等问题 (5)。这使得桥梁和建筑等基础设施能够转变为自我监测的智能系统。

  • 为远程传感器供电： 储能混凝土储存的能量可用于为嵌入式传感器供电，这些传感器可用于监测偏远地区基础设施的交通、天气或环境状况，尤其是在无法接入电网的场景下 (5)。

这项技术真正的颠覆性潜力在于上述多种应用的协同效应。一条“智能路面”可以同时实现为车辆充电、融化积雪、监测自身结构完整性以及传输交通数据等多重功能，并且自身还是本地能源网络的一个活性组成部分。从表面上看，每项应用都很有吸引力：充电道路是电动汽车的解决方案 (13)，自加热道路是冬季安全的解决方案 (17)，自感知道路是基础设施维护的解决方案 (20)。然而，其底层技术——导电储能混凝土——能够在几乎不增加额外硬件的情况下，同时实现这三种功能。实现能量储存（超级电容器功能）的同一个导电网络，同样可以用于电阻加热（焦耳热效应）和压阻传感。这就创造了一种“平台效应”。建设多功能混凝土道路的初始投资，解锁了一整套增值服务。这种协同价值将经济计算从单纯的“道路建设成本”转变为“基础设施平台的投资回报率”。这才是可能证明其更高初始成本和技术复杂性是合理的深层逻辑。

第 7 节：克服障碍：挑战与未来研究方向

7.1 能量密度差距

  • 挑战： 与传统电池相比，能量密度过低是目前最主要的限制因素，这在很大程度上制约了其应用范围 (5)。

  • 未来方向： 未来的研究重点在于引入石墨烯、碳纳米管（CNT）等更高性能的纳米材料，以增加导电网络的比表面积和效率 (11)。此外，进一步优化电解质化学成分，以及开发兼具超级电容器和电池优点的混合型系统，也是极具前景的研究路径 (7)。

7.2 确保结构与电化学的长期性

  • 挑战： 混凝土基础设施的设计使用年限通常为50至100年。因此，内嵌的电化学组件必须被证明具有相当的服务寿命，能够抵抗充放电循环、环境侵蚀（如水分、氯离子）和机械应力所带来的长期性能衰减 (5)。

  • 未来方向： 这需要进行长期的老化实验研究，开发用于电极的保护涂层，并设计出要么极其耐用，要么能够在结构的全生命周期内方便地进行维修或补充电化学组分（如电解液）的系统。

7.3 规模化制造与集成

  • 挑战： 从实验室规模的原型过渡到大规模、低成本的工业化生产是一个巨大的挑战。这包括如何确保在大型混凝土搅拌中实现导电填料的均匀分散，以及如何在实际施工现场开发出可靠的电极网嵌入和电极引出技术 (16)。

  • 未来方向： 开发自动化的搅拌和浇筑技术，甚至可能利用3D打印技术来制造具有复杂几何形状的储能构件 (18)。同时，建立新的建筑规范、质量控制协议和安全标准对于行业的最终采纳至关重要 (16)。

7.4 安全性与系统可靠性

  • 挑战： 将电气系统集成到结构构件中引入了新的失效模式。必须有效规避因钻孔、意外撞击或水分侵入等原因导致的短路风险 (6)。

  • 未来方向： 关键的研究方向包括开发自修复材料、设计坚固的绝缘层，以及构建具有“故障安全”特性的电气系统。建立标准化的测试和认证流程，对于建立消费者和监管机构的信心是必不可少的 (16)。

这项技术面临的终极挑战并非纯粹的科学问题，而是一个复杂的社会-技术体系问题。它的成功实施要求建立一个全新的生态系统，以弥合建筑施工、能源公用事业和数据管理这三个历史上相互独立的领域之间的鸿沟。材料科学家可以解决能量密度问题，土木工程师可以解决结构集成问题，电气工程师可以解决安全问题——这些都是技术层面的挑战。然而，当一栋建筑的地基同时成为城市电网的一部分时，谁来负责其维护？一座能够自我感知的桥梁所产生的数据归谁所有？一个建筑工人需要掌握哪些新技能才能浇筑一个超级电容器？这些问题超越了技术范畴，涉及商业模式、法律法规、劳动力培训和责任划分。如果不能成功构建起这个社会-技术生态系统，那么即使技术本身再先进，也可能永远停留在实验室阶段，这将是比任何特定材料性能限制更大的推广障碍。因此，未来的研究必须是跨学科的，不仅需要科学家和工程师的参与，还需要经济学家、政策制定者和城市规划者的共同努力，以协同开发技术本身及其成功应用所需的社会框架。这才是决定该技术最终是昙花一现还是能成为未来城市基石的深层次挑战。

第 8 节：结论与战略建议

研究结果综合

本报告系统分析了储能混凝土这一新兴技术。结论是，该技术虽处于起步阶段，但展现出巨大的发展潜力。它成功地将全球使用最广泛的材料转变为一种多功能复合材料，为实现可扩展、低成本和安全的能源储存提供了一条独特的路径。其核心的权衡关系在于：一方面是其巨大的潜在应用规模，另一方面是其较低的体积能量密度。这一矛盾将是决定其未来发展方向和应用场景的核心主题。

愿景重申

储能混凝土技术描绘了一个未来城市的蓝图：建筑物和基础设施不再是被动的物理实体，而是能源和数据经济中的积极参与者。这预示着可持续城市发展模式的一场深刻变革，有望从根本上重塑我们与建成环境的互动方式。

战略建议

  • 对科研界的建议： 优先开展跨学科研究，重点关注能够提升能量密度的混合材料体系，并进行长期的老化实验以验证其耐久性。

  • 对工业界（建筑与工程）的建议： 投资试点项目和示范工程，以开发和标准化相关的制造与集成技术。与材料科学家紧密合作，共同定义满足实际应用需求的性能指标。

  • 对政策制定者与监管机构的建议： 启动制定新的建筑规范和安全标准，以适应这种多功能的、具备能源活性的新型结构。同时，设立激励计划以降低早期应用的风险，并扶持相关新材料的国内供应链发展。

引用的著作

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