У бетона, по сути, одна задача: предотвратить обрушение зданий. Но исследователи в Китае разработали версию, которая может сделать что-то менее конкретное. Он может хранить электричество.
Используя 3D-принтер, команда встроила суперконденсатор непосредственно в структуру на основе цемента, сохранив при этом достаточную прочность, чтобы материал мог выдерживать большие нагрузки. Три таких небольших устройства, соединенных вместе, производят достаточно электроэнергии для освещения набора светодиодов.
Прототип еще не готов заменить аккумуляторные батареи в некоторых зданиях. Но что, если стены, полы и фундамент здания могут действовать не только как конструкция, но и как часть энергетической системы здания? Возможно, это последнее обещание. Сейчас нам показывают проблеск.
Устройство, описанное в новом исследовании, опубликованном в ACS Nano, было разработано Хайпином Ву и Цзин Чжуном из Харбинского технологического института и Венцаем Реном из Китайской академии наук. Их главная инновация — фиксация энергоаккумулирующих компонентов в цементе, чтобы электричество могло перемещать их более эффективно.
Суперконденсаторы и батареи в одних областях перекрываются, а в других расходятся. Обычно они не сохраняют столько энергии, но могут заряжаться и разряжаться очень быстро и выдерживать множество циклов. Это может сделать их полезными для хранения электроэнергии от солнечных батарей при производстве энергии и ее многократного высвобождения при необходимости.
«Если возобновляемая энергия будет доступна для подзарядки [the supercapacitors] достаточно часто они могут удовлетворить некоторые потребности в энергии, неоднократно заряжаясь и разряжаясь», — сказал Чжун в пресс-релизе Американского химического общества.
Конкретная визуализация электрической нервной системы
Чтобы создать свое устройство, исследователи объединили цемент с углеродной сажей и углеродными нанотрубками, создав электропроводящие чернила, достаточно толстые, чтобы их можно было пропустить через 3D-принтер.
Затем они напечатали смесь на небольшой бетонной плите в виде узора, напоминающего две пары переплетенных пальцев. Пальцы никогда не прикрепляются. Вместо этого цемент между ними действует как сепаратор, через который могут перемещаться электрически заряженные ионы.
В традиционных слоистых конструкциях ионам, возможно, придется проходить сквозь толщу материала, чтобы перемещаться между электродами. Поскольку устройства хранения энергии на основе цемента становятся толще, эта конструкция больше не сокращает их. Новая конструкция блокировки размещает противоположные электроды рядом, сокращая расстояние, которое должны пройти ионы, и одновременно обеспечивая большую площадь поверхности, на которой электроды и электролит могут взаимодействовать.
Сам цемент помогает сделать ремонт. По мере затвердевания гидратация оставляет после себя сеть микроскопических пор, содержащих воду. Ионы могут проходить через этот пористый материал между электродами, богатыми углеродом.
Оптимизированный прототип достиг площади 162,14 миллифарад на квадратный сантиметр и плотности энергии 22,52 микроватт-часа на квадратный сантиметр. Что еще более важно для объекта, предназначенного для использования в здании, он может выдерживать сжатие в 23 мегапаскаля — прочность, которая, по словам исследователей, сравнима с коммерческим бетоном, используемым для таких целей, как плиты и лестницы.
Последовательное соединение трех устройств обеспечивало достаточное напряжение для свечения светодиодов.
Это всего лишь подтверждение концепции. Масштабирование лабораторной плиты на фундаменте весом во много тонн создает свои собственные проблемы, связанные с проводкой, долговечностью, влажностью, обслуживанием и производством.
Однако идея бетона, хранящего энергию, набирает обороты.
Гонка за превращением зданий в батареи
В 2023 году исследователи Массачусетского технологического института сообщили об очень простом углеродно-цементном суперконденсаторе. Труды Национальной академии наук (PNAS), который в основном состоит из цемента, воды и технического углерода. По мере затвердевания цемента углерод организуется в связанную разветвленную сеть, которая может проводить электроны, в то время как поры в цементе позволяют ионам перемещаться через материал. Исследователи утверждали, что механизм в принципе может масштабироваться вместе с объемом бетона.
Группа MIT продвинула эту концепцию дальше в 2025 году. ПНАС В ходе исследования исследователи сообщили о примерно десятикратном улучшении плотности энергии и собрали 12 элементов на основе цемента в 12-вольтовый модуль с энергией примерно 50 Фарад. Он питает вентилятор компьютера и портативное игровое устройство. Они также создали 9-вольтовую дугу, чтобы показать, как накопление энергии может быть частью архитектурного элемента.
Другие команды начали совмещать эту идею с аддитивным производством. В исследовании 2025 года использовалась 3D-печать и никелевая пена с углеродным покрытием для производства бетонных конструкционных суперконденсаторов, а в другом исследовании, опубликованном в 2026 году, использовался цементный электролит, модифицированный полимером и пригодный для печати.
Новый АСУ Нано Дизайн следует этой тенденции, но использует более комплексный подход. Вместо того, чтобы просто помещать обычные электроды в печатный бетон, исследователи напечатали наноуглеродные электроды на основе цемента на самой структуре на основе цемента. Геометрия блокировки предназначена для устранения как неэффективного транспорта ионов, так и тенденции разделения границ между различными слоями.
Путь вперед
До сих пор существует большой разрыв между светом светодиодов на лабораторной плите и сохранением полезного количества электроэнергии в реальном здании.
Для бетона, исследованного в исследовании, холод может вызвать проблемы. Суперконденсатор продолжал работать при умеренном нагреве и охлаждении, но его производительность резко упала при минус 18 градусах Цельсия, по-видимому, потому, что замерзание помешало воде и ионам внутри материала.
Суперконденсаторы остаются менее энергоемкими, чем литий-ионные батареи, поэтому их привлекательность, скорее всего, будет заключаться в использовании пассивных материалов, а не в том, чтобы превосходить батареи килограмм за килограммом. В идеальном случае, если экономика имеет смысл, вам нужно и то, и другое.
Сначала исследователи предполагают более скромные применения, включая аварийное освещение и датчики, встроенные внутри зданий. В конце концов, структурные компоненты смогут хранить локально генерируемую солнечную энергию, одновременно контролируя здание вокруг них.
«Если строительные материалы смогут не только поддерживать конструкции, но и хранить энергию, ощущать окружающую среду и даже взаимодействовать с людьми, здания станут чем-то большим, чем просто пассивным укрытием», — сказал Чжун. «Они могут быть по-настоящему умными средами».
