东南大学缪昌文院士＆刘加平院士联合香港大学Materials Today（IF：22）: 混凝土建筑自主储能系统

混凝土建筑自主储能系统，改写能源格局！

当你走过钢筋混凝土的桥梁、住进坚固的水泥楼房时，从未想过这个 “老古董” 材料会成为能源革命的关键？最近香港大学陆洋＆东南大学缪昌文院士和刘加平院士在 顶刊 Materials Today（IF：22） 发表了一篇综述论文，揭开了电化学储能混凝土（E - 混凝土）的神秘面纱 —— 这种能同时承重和储能的多功能材料，正让 “基础设施变身储能网络” 从科幻走进现实。

一、能源危机下的破局者：为什么是混凝土？

随着可再生能源成为全球能源转型的核心，风能、太阳能的间歇性难题却愈发突出。仅在中国，每年因无法及时存储而被削减的电量就高达 500 亿千瓦时，相当于三峡大坝年产能的一半！我们迫切需要一种可扩展、低成本的储能方案，而混凝土恰好具备天生优势。

作为地球上仅次于水的第二大使用物质，混凝土全球年用量超 300 亿吨，兼具廉价、耐用、分布广泛的特质。更重要的是，它早已深度融入我们的生活 —— 建筑墙体、桥梁道路、隧道衬砌，这些现成的基础设施，一旦赋予储能能力，就能瞬间变成分布式储能网络，无需额外占用空间。

从公元前 7000 年以色列的早期混凝土，到罗马万神殿的火山灰混凝土，再到现代超高性能混凝土（UHPC），这种材料始终在迭代进化。如今，它正迎来全新使命：从单纯的结构支撑，升级为 “承重 + 储能” 的超级材料，连接起文明的两大基础 —— 基础设施与能源。

二、E - 混凝土的秘密：既能扛重物，又能存电能 什么是 E - 混凝土？

简单说，E - 混凝土是一种兼具结构承载功能和可充电储能能力的新型材料。当它与太阳能板、风力发电机结合，建筑物就能直接 “吸收” 可再生能源并存储在墙体、地面中，后续按需供应给家用电器。

它的核心优势堪称 “全能”：高安全性（几乎无燃烧爆炸风险）、强抗压强度、长循环寿命、低成本，完美适配建筑工程的实际需求。想象一下，未来你的房子墙体就是 “充电宝”，道路能为电动汽车无线充电，桥梁自己储存应急电力，能源供应将变得无处不在。

工作机制：两种技术路径并行

E - 混凝土的本质是 “嵌入混凝土的电化学储能装置”，由阳极、阴极和电解质分离器组成，主要分为两大类型：

混凝土超级电容器

靠电双层电容或伪电容原理储能，充放电速度快、循环寿命长，但能量密度相对较低。常用石墨烯、活性炭等多孔材料做电极，通过离子的物理吸附 / 脱附或表面快速氧化还原反应实现储能。

混凝土电池

基于法拉第氧化还原反应，活性材料通过化学键变化储存能量，能量密度比超级电容器高一个数量级，能支持数小时持续放电。其中水性电池因安全性高、兼容性好，成为最具潜力的发展方向。

混凝土的四大关键作用

在 E - 混凝土系统中，混凝土不再只是 “容器”，而是核心功能组件：

结构支撑：提供机械强度，抵御载荷变形，同时阻挡电极树突生长，提升安全性；

离子传输：通过多尺度孔隙网络，为离子移动提供通道，可通过调整孔隙结构优化传输效率；

导电网络：掺杂纤维、颗粒等导电填充物后，能形成电子传导路径，作为电极发挥作用；

电化学活性：胶结基质中的铁、锰等元素，以及钢渣、飞灰等工业废料，可参与氧化还原反应，提升储能性能。

三、EC 评分：给 E - 混凝土 “打分” 的科学框架

要让实验室原型走向实际应用，必须建立统一的评估标准。论文提出了首个综合评估框架 ——EC 评分，从 6 个核心维度给 E - 混凝土 “打分”，总分 100 分，60 分为实际应用的门槛线：

根据该框架，目前顶尖 E - 混凝土系统的 EC 评分已接近 60 分门槛，意味着距离实际应用越来越近。

四、现状与挑战：从实验室到工程化的距离 技术发展里程碑

2008 年：首次实现混凝土储能，铝 - 空气原电池系统连续放电 650 小时，但不可充电；

2016 年：首块混凝土超级电容器诞生，实现稳定循环，但能量密度较低；

2020 年：引入伪电容材料，能量密度显著提升，EC 评分大幅提高；

2021 年：高性能电解质突破电压限制，能量密度达 0.65 kWh/m³；

近年：锌基混凝土电池实现关键突破，能量密度、循环寿命、机械强度协同提升，EC 评分达标。

亟待解决的核心难题

尽管进展迅速，E - 混凝土仍面临4大挑战：

兼容性问题：混凝土的高碱性环境易导致金属电极腐蚀，影响循环寿命；

成本控制：导电材料、电解质等组件推高成本，目前多数系统性价比不足；

工程适配性：现有夹层式结构与传统施工工艺不兼容，规模化部署困难；

性能平衡：提升电化学性能常以牺牲机械强度为代价，需找到最佳平衡点。

五、未来应用：三大场景改写能源格局

E - 混凝土的潜力不止于 “建筑储能”，更将重构能源与基础设施的关系：

零能耗建筑

储能墙体、能量砖无缝集成到建筑中，与光伏系统配合，实现 “自给自足” 的绿色建筑，尤其适合智能预制建筑；

极端环境能源供给

在深海、极地、外星建筑等极端场景，E - 混凝土凭借耐腐蚀性和耐久性，成为可靠的离网储能方案；

AI 时代的大规模储能

数据中心、智能城市对能源需求激增，将储能整合进道路、桥梁、建筑等基础设施，实现空间高效利用的大规模储能。

此外，E - 混凝土还能支撑桥梁、高速公路的结构健康监测系统，为智慧城市提供持续能源供应，助力灾害预警与应对。

六、展望：混凝土撑起净零未来

从古老的建筑材料到储能黑科技，E - 混凝土的崛起为全球双碳目标提供了全新思路。它将基础设施从 “能源消耗者” 转变为 “能源生产者”，既避免了传统储能设备的空间占用，又降低了材料冗余，实现了结构功能与能源功能的完美融合。

尽管目前仍面临兼容性、成本、规模化等挑战，但随着 EC 评分体系的建立和技术的持续突破，E - 混凝土有望在未来 10-20 年内广泛应用。届时，我们身边的每一栋建筑、每一条道路都将成为储能网络的一部分，为可再生能源的全面普及扫清障碍，撑起一个更具韧性、更可持续的净零未来。

这项让混凝土 “活” 起来的创新，正在重新定义我们与能源、与建筑的关系 —— 原来最坚固的基础设施，也能成为最灵活的能源载体。

参考文献： Concrete: From infrastructure to structural energy storage