混凝土充电电池在你的未来吗?

文章作者:Bill Schweber

许多我们常用的设备使用可充电电池(也称为“二次”电池)，而不是一次性不可充电的电池(主电池)。我们预计,迟早我们需要更换一次性电池在某种程度上,假设整个单位不是一个“一次性”一次性使用产品(我知道这是一件坏事在大多数情况下,但有时它是唯一可行的电力产品)和有效的方法。但我们也很容易对使用带有可充电设备的产品感到如此舒适，以至于我们很容易忘记，它们也有一个有限的寿命，这取决于它们可以支持的充电/放电循环次数，同时也提供了大部分原始容量。

我们能有多少周期?在现实世界的大多数情况下，答案很简单:“视情况而定。”这取决于一系列的因素，如电池化学、质量、电池组结构、电池管理系统(BMS)的算法(如果有的话)、用户放电/充电模式和深度、工作温度、占空比等等。没有单一的答案，但初步估计，充电和使用电池的能力严重下降之前，需要500到1000次循环(标准也不同)。

毫无疑问，你已经经历过充电电池“报废”(或几乎报废)的情况。修复它可能很简单，也可能令人沮丧，甚至几乎不可能克服。一些设备通过使用标准的可充电电池(如AAs或18650尺寸的电池)和方便的存取安排使它变得容易。

另一端是定制尺寸和/或难以使用的充电电池。客户友好型设计应尽一切努力尽可能使用标准电池（起搏器和类似装置除外），并使其易于更换（同样存在非常合理的例外）。

由于这些和其他原因，我试图跟踪电池技术的总体进展，特别是可充电电池，以及从便携式到电网大小的所有能力的研发进展。这就是为什么我对Chalmers科技大学(瑞典)的一个研究项目感到着迷、好奇，甚至有点困惑的原因。

在那里，一个团队正在研究在可充电电池中使用混凝土。简单地说，他们的开发使用了水泥基混合物，添加少量短碳纤维，以增加导电性和抗弯韧性。然后，嵌入金属涂层碳纤维网——阳极用铁，阴极用镍。研究人员研究了混凝土电解质的两种不同的安排，阳极和阴极，一种是分层结构，一种是浸没结构，图1，以及组合组成材料和混合物的不同方法。

图1混凝土电池的两种常见电池结构:(a)分层结构和(b)浸没结构。

其结果是一种可充电电池，它的可行性基于整个建筑结构的大体积，而不是传统的重量或体积高能量密度的优点。他们试验了不同的配方，发现他们最好的版本基于体积的能量密度是0.8瓦特时/升，图2．

图2单电池水泥基结构电池，带有万用表，在放电3小时后显示电池电位为1.24 V。

相比之下，锂电池的密度在250-70 W-hr/L左右，而铅酸电池的密度在80-100 W-hr/L左右。显然，这些混凝土电池的能量密度比其他主要电池化学选择要低几个数量级。

研究人员指出，如果在使用大量混凝土的建筑中使用可充电材料，那么它们实际上是一种“几乎不需要任何东西”的资源。我可以理解这种逻辑，但也有可能无法理解:这是一句讽刺话的变体，“我们在每一个项目上都赔钱，但我们在数量上弥补了”，除了这里，我们关注的是能量密度而不是金钱。

最后，他们的研究带有一个很大的警告:到目前为止，基于混凝土的细胞只能承受有限的周期。在许多方面，这个数字与能量密度规格同样重要。他们的学术论文对这个周期数字有点模糊，但暗示它是在低两位数。使用这种可充电混凝土作为大型建筑材料意味着建筑的结构必须是模块化的，这样混凝土部分就可以被移除和替换，然后你还必须处理移除的材料。那么这种新的配方对混凝土本身的强度有什么影响呢?

坦率地说，这似乎不是一个有前途的方法，至少目前还不是。即使它能将循环次数提高到数百次甚至数千次，混凝土建筑通常也能使用50到100年。混凝土充电电池在使用期间需要多次更换。即使混凝土电池只用于应急电源备份，数据看起来仍然不太好。不过，我可能大错特错;长期的未来是不可预测的，尽管专家们尽了最大的努力和专家们的深思熟虑。也许这种电池会在电动汽车的路边充电站中找到一个角色:由于它们的重量和低残余材料价值，它们不太可能被偷!

你可以通过他们的工作新闻稿看到更多细节。”世界首款可充电水泥基电池"以及他们的论文全文，标题短小直接"可充电电池混凝土“您如何看待混凝土作为一种潜在的可充电电池?”这是值得进一步研发的努力，还是即使密度和周期数显著提高，这也是一个高度有限的解决方案?

这篇文章最初发表于经济日报．

比尔Schweber他是一位电子工程师，写过三本关于电子通信系统的教科书，以及数百篇技术文章、观点专栏和产品特性。在过去的职位中，他曾担任多个EE Times网站的技术网站经理，并担任EDN的执行编辑和模拟编辑。在Analog Devices，他负责营销传播;因此，他既是技术公关的两方面，向媒体展示公司的产品、故事和信息，同时也是这些信息的接收者。在担任Analog公司的市场营销职务之前，Bill曾担任该公司备受尊敬的技术期刊的副编辑，并曾在该公司的产品营销和应用工程组工作。在此之前，他在Instron Corp.从事材料测试机控制的模拟和电源电路设计和系统集成工作。他拥有哥伦比亚大学(Columbia University)的BSEE学位和马萨诸塞大学(University of Massachusetts)的MSEE学位，是一名注册专业工程师，并持有高级业余无线电许可证。他还计划、编写和展示了关于各种工程主题的在线课程，包括MOSFET基础、ADC选择和驱动led。