葉思沂 副教授

國立成功大學航空太空工程學系

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建築界的「碳」挑戰與隱藏的能量轉機

水泥，這款全球使用最廣泛的建築材料，長期以來被視為氣候變遷的負資產。全球水泥生產每年貢獻約 40 億噸的二氧化碳（CO₂）排放，這數字看似沉重，卻掩蓋了水泥一項鮮為人知的特質：它其實具有「呼吸」能力。根據麻省理工學院（MIT）混凝土永續發展中心（CSHub）的研究，水泥在其生命週期中能透過微孔隙吸收並鎖住大氣中的 CO₂，這種自然碳化過程能抵消其製程排放量的 13%至25%。從材料科學的角度看，水泥正展現出其從碳源轉向碳匯的「戰略二元性」。值得注意的是，多孔性的砂漿（Mortar）吸收 CO₂ 的速度比緻密的混凝土快上一個數量級，這解釋了為何在砂漿使用量較高的地區（如墨西哥），其水泥碳匯效應更為顯著。

在追求淨零排放的轉型路徑上，能源儲存始終是最大的瓶頸。傳統鋰電池受限於關鍵金屬的稀缺性、成本與安全性，難以滿足城市級的大規模儲能需求。MIT 所開發的「電子導電碳混凝土（ec³）」技術，正是利用水泥作為具備化學活性的介質，試圖將建築本身轉化為儲能設備。這不只是結構材料的改良，更是對基礎設施與電力網絡關係的重新定義：當城市中的地基、道路與橋樑都具備儲電功能，可再生能源的波動難題將迎刃而解。

 

點石成金：讓水泥導電的微觀黑科技

要讓原本絕緣的水泥具備儲電能力，MIT 團隊將其轉化為「超級電容器（Supercapacitor）」。不同於傳統電池依賴化學反應，超級電容器透過離子在電極表面的附著與分離來充放電，具備極高的充放電效率與長久的使用壽命。ec³ 的核心配方看似簡單，實則充滿精密設計：除了水泥、水與導電材料奈米碳黑（nCB）外，還加入了高效減水劑（Superplasticizer）以確保碳黑能均勻分散，並視應用場景加入細骨材（砂）。在水合過程中，奈米碳黑在水泥基質中自發形成一種「分形幾何狀（fractal-like）」的導電網絡。

這種分形網絡的關鍵在於其具備極高的「表面積對體積比（Surface area-to-volume ratio）」。透過10奈米解析度的 FIB-SEM 斷層掃描觀察，這些纖細且綿密的碳網絡緊貼著水泥內部的孔隙系統。這種微觀上的「空間共置」至關重要：碳黑網絡充當電子傳輸的「高速公路」，而充滿電解質（如氯化鉀）的孔隙則是離子供應的「油箱」。當電荷移動時，極大的表面積讓離子與電子能迅速耦合，實現高效儲能。

 

從實驗室到現實：電壓突破與線性擴展示範

儘管單體 ec³ 電池表現優異，但受限於水基電解質的電化學極限，其單電池電壓通常低於 1.2V。為了跨越實用化門檻，研究團隊採用了「多電池堆疊（Multicell Stacking）」策略，將多個 ec³ 電極串聯以提升輸出。

在實證階段，MIT 成功組裝出一個總電容達 50 法拉（Farad）的 12V 超級電容模組。儘管其體積僅約 0.003 立方公尺，卻已足以驅動電腦散熱風扇，或透過轉換器為遊戲機供電。更重要的是，研究證實 ec³ 具備優異的「線性擴展性」，其儲能容量與電極體積成正比。基於此線性擴展模型，研究團隊預測：若能建造一個邊長 3.5 公尺的 ec³ 混凝土立方體，其儲電量將可達 10 kWh。這意味著，一棟房子的地基若能在建造時導入此技術，便足以支撐一個家庭整日的電力需求，且完全不佔用額外的室內空間。此外，較厚的電極能增加離子擴散路徑，顯著降低自放電率，解決了超級電容器過往難以長期留住電荷的痛點。

 

能源的多樣性：從海水到有機電解質的效能飛躍

為了確保 ec³ 具備地理適應性，研究團隊測試了多種電解質。其中，「海水」（以 2 M 氯化鈉 NaCl 模擬）的表現與實驗室等級的氯化鉀（KCl）幾乎無異。這對沿海設施或海上風場具有深遠的戰略價值，意味著人類可以直接利用廉價且豐沛的自然資源作為儲能介質。然而，真正改變遊戲規則的是有機電解質的導入。當使用如 TE-ACN 等有機溶劑時，其電壓窗口與能量密度將發生質的飛躍。有機電解質讓能量密度提升至 2,207 Wh/m³，這證明 ec³ 技術不僅能處理日常用電，更具備進入高階工業儲能市場的潛力。

 

未來圖景：當城市基礎設施成為「智慧電池」

MIT 研發出的「儲能拱門（ec³ Arch）」原型，精確地勾勒出未來建築的模樣。這座拱門不僅能承受數公斤的機械負載，還能點亮 LED 燈。最令科學家振奮的是，當拱門受壓時，LED 的亮度會隨之波動。這並非魔術，而是源於「應變誘導的接觸電阻變化（Strain-induced changes in contact resistance）」；這賦予了材料「自我感測」能力，讓結構本身能即時監控自身的應力狀態與健康。這種將功能嵌入材料幾何結構的願景，與古羅馬建築有著跨時空的共鳴。古羅馬人利用無筋混凝土與全壓縮（All-compression）設計，建造出屹立千年的萬神殿，藉由幾何智慧繞過了對金屬增強材料的依賴。ec³ 技術則在當代進行了平行演進：它利用奈米碳網絡繞過了對昂貴外部電池組的依賴，實現了「性能與結構的深度收斂」。

在淨零碳排的終局之戰中，ec³重新定義了人造環境。未來的智慧公路能為行駛中的電動車供電，風力發電機的基座本身就是巨大的電池。當我們腳下的每一寸混凝土都能「呼吸」並儲存能量時，人類將真正邁入一個更具韌性、且與環境共生的能源新時代。

 

參考資料：
Stefaniuk, D., Weaver, J. C., Ulm, F. J., & Masic, A. (2025). High energy density carbon–cement supercapacitors for architectural energy storage. Proceedings of the National Academy of Sciences, 122(40), e2511912122.