◇专家简介

魏剑，西安建筑科技大学材料科学与工程学院教授、博士生导师、副院长，获陕西省杰出青年科学基金，陕西青年科技奖等荣誉称号，陕西省纳米材料与技术重点实验室副主任，陕西省先进无机非金属材料国际合作基地副主任，主要从事无机非金属基复合材料、纳米材料与特种陶瓷及涂层、纳米能源材料等方面研究。主持完成国家自然科学基金、陕西省重大基础研究等项目，发表论文100余篇，专利20余项。获陕西省科学技术一、二等奖，陕西高等学校科学技术一、二等奖。

水泥能发电，还能储电？近日，我国科学家发布了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。

在未来城市和智慧交通中，自发电、自储能水泥基复合材料制成的建筑和高速路面，可有效地对热能进行转换收集并存储。畅想一下，未来建筑结构有望“自主供电”，高速公路新能源汽车有望“行驶充电”……这一新材料还有望拓展到远海、深地、极地环境的基地建造，未来智慧道路，甚至AI+城市等场景，前景广阔。西安建筑科技大学材料科学与工程学院教授、博士生导师魏剑教授课题组正在研究相关领域，包括水泥基自发电、水泥基储能等。

这类智能水泥基复合材料有哪些“黑科技”？华商报大风新闻记者专访了魏剑教授，为大家一一解答。

>>利用温差

最终把热能转化为电能

华商报：通俗易懂地讲，什么是储能混凝土？

魏剑：储能混凝土其实不能完全叫做储能混凝土，可以称它为功能性混凝土或智能混凝土。因为混凝土一般作为结构材料来用，盖房子、建桥等，混凝土主要用来受力，而智能混凝土在确保作为结构件承载力同时，有其他功能特性。实际上它包含两个方面，一个是发电类的，一个是储能类的。

还有一些其他功能性的混凝土，比如储热的混凝土，其利用内部的相变，将热能储存，然后在适当的时候将热量放出；还有弹性混凝土，它含有一定弹性功能，从而起到减震作用。

华商报：“发电”和“储能”两款材料，具体是怎么制成的？工作原理是什么？

魏剑：发电混凝土主要与电学性能相关，属于能源能量转换类的，也叫热电类混凝土，我们的建筑物，包括路面（地表上下）、房屋（室内室外）等，始终处在温差的条件下，热电类材料就会把温差转化为电能。

这个转化的原理是什么呢？材料内部有很多离子电子，也就是载流子（电流载体），它在温差条件下，一边热一边冷。这个时候由于热扩散效应，材料内部的这些载流子，在热的那一端能量就比较大，活动就比较剧烈，冷的那一端正好相反。那么这些载流子会自发地从活动剧烈的这一端，迁移向冷的那一端，就像水里的墨水一样，自然就从浓度高的地方向浓度低的地方迁移，迁移的过程就形成了电流，所以，就是通过这种方式把热能转化为电能。

目前还有一种发电类混凝土比较有意思，它不仅可以发电，还可以储电。混凝土内部有很多孔隙，当这些孔隙内部含有水的时候，混凝土中的物质会在孔隙液中溶解形成离子，但这些溶解的正负离子热迁移的速率不同，就像是太阳出来以后，一群孩子为了躲避太阳，从太阳照射的区域向阴凉地奔跑，不同的孩子奔跑速度不同。

离子迁移有快有慢，而它们带有电荷，当这些正负电荷在混凝土内部分布不均匀时，在宏观上就会表现出电势差，就可以达到发电的目的。

储能混凝土，其实就是达到能量存储的目的，有两种，一种就是类似电动汽车储能电池的方式，通过电化学方式储存能量；另外一种方式呢，我们叫做电容器类储能混凝土，这种方式的原理专业性比较强。

>>目前有热熔除雪混凝土

华商报：储能混凝土怎么使用？有实际案例吗？目前进入市场了吗？将用在什么场景？

魏剑：目前，不管是储能类混凝土，还是发电类混凝土，都是一种新型的混凝土，使用方面，还没有一些实际的案例，只是有一些展示性的案例。因为这种新型混凝土的结构材料发生了变化，如果变化，需要与建筑整体重新接入，建立新标准，这个还需要时间。

新型混凝土的优势在于把结构性和功能性结合在一起，将建筑和路面整合了起来，还有，它是一个长寿命的、大规模的储能和发电系统。

所以目前它还没有进入市场，目前有的功能类混凝土，主要是热熔除雪的，就是通过混凝土的导电性来给它施加一定的电能，特别是在寒冷地区，功能类混凝土帮助融化路面的积雪。其他类的新型混凝土要走的路还很长。

>>一公里长路面一天能产生十几度电

华商报：一块水泥砖能储存多少电？使用寿命又能有多长？

魏剑：电量方面，目前还不好衡量，我们也按照相关指标算过一次，比如按热电转换的路面来算，一公里长、10米宽的路面，按正常二三十度这样的温差条件下，一天能产生十几度电，但要达到使用的程度还有很长的距离。从使用寿命来说，比其他类的电子产品要长很多。

如果是室外使用环境，相对其他电子产品，使用环境要恶劣一些，比如降水等因素，使用环境要更复杂一些。所以，寿命这块目前还没有专门的系统的研究，只是做了一些初步的工作。

>>高速公路变充电道路需解决诸多问题

华商报：畅想一下，家里的水泥墙有可能变成"充电宝"吗？高速公路会不会变成“充电道路”？

魏剑：家用能量充电宝，这个我觉得是有可能去实现的，但这里面实际问题还有很多，目前这方面还没有充分的研究，不过我们可以大胆去畅想各种可能性。对于高速公路能否变成充电道路，这是有可能的，但需要克服或者解决这些发电模块的连接问题，以及如何与道路结构相结合的问题。

>>这种混凝土的电流在安全范围内

华商报：未来的住房是不是可以不用连接电线了，实现“自我供电”？

魏剑：从目前来看，自我供电不一定能实现，它只是电能的一个有效补充方式。

华商报：这种混凝土盖的房子安全吗？打雷时会不会容易触电？

魏剑：安全性不用担心，因为混凝土本身产生的这种电压或电流目前看还是比较低的，完全在一个安全范围内。不会有打雷触电的风险。

华商报：这种混凝土盖的房子成本会比普通混凝土高多少？

魏剑：目前看，使用成本当然会比普通混凝土要高不少，因为使用的混凝土工艺与现有混凝土有比较明显的差别。如果未来有一天，实际应用多了，随着规模化的上升，成本可能会逐渐降低。

>>与太阳能之间是互补关系

华商报：这种混凝土冬天和夏天发电效果有差别吗？

魏剑：不能拿冬季和夏季来说，主要得看温差情况，就是刚刚讲的，热端和冷端之间温度差有多少，这个对它发电效率影响比较大。目前，科研人员在夏季的观察和研究多一些，冬季特别是零度以下，研究相对较少。当然肯定也是有差异的，在低温环境下，即使存在相同的温差，载流子迁移的速率也会下降。

华商报：与太阳能配合使用，能提升多少能源利用率？

魏剑：目前，从发电效率上来说，还是远远不能与太阳能相比的，它与太阳能之间是一个互补的关系。太阳能受气候天气影响非常大，新型混凝土相对影响较小，主要依赖温差产生电能。

华商报：传统水泥为能耗大户，这种新材料如何帮助建筑行业减少碳排放？有相关研究数据吗？

魏剑：目前还处于研究阶段，企业能耗减排方面还没有相关数据。可以肯定的是，这种新材料相比传统材料，一定是节能低碳的。

>>如何与建筑结构

路面结构相结合是难题

华商报：目前还存在哪些技术难题？

魏剑：目前确实存在技术难题。第一就是效率方面还需要一个大的提升，目前与实用这块儿还有比较大的差距；第二就是如何与我们的建筑结构和路面结构相结合，不能只是单一的技术，这个还需要进一步研究。

华商报：请介绍一下这一新材料的前景，比如未来这一新材料是否有望拓展到偏远地区无人基站供电、低空飞行器续航补能等场景呢？

魏剑：无人基站用电量较大，不好说，但对于无人机或其他小规模供电的平台，是完全有可能实现的。

华商报：预计何时能大规模推广应用？

魏剑：我预估，得10年以上吧，大规模使用可能需要更长时间。 华商报大风新闻记者 任婷