东南大学孙正明教授、周扬副教授、潘龙副教授团队合作通过冰模板工艺制备了一种具有有序层状微结构的水泥基电解质，实现了强度与离子电导率的协同提升，并在组装成超级电容器后获得较理想的储能性能。这项技术为结构储能材料的设计与制备提供了一条新途径。相关研究以题为“A Biomimetic Cement-Based Solid-State Electrolyte with both High Strength and Ionic Conductivity for Self-Energy-Storage Buildings”发表在Research上。
Citation: Lin W, Xing J, Zhou Y, Pan L,Yang L, Zhang Y, Liu XX, Xiong C,Li W, Sun Z. A Biomimetic Cement-Based Solid-State Electrolytewith Both High Strength and IonicConductivity for Self-Energy-StorageBuildings. Research 2024;7:Article0379. https://doi.org/10.34133/research.0379
建筑的全生命周期能耗巨大，现有太阳能光伏等清洁能源技术虽可为建筑供能，但受限于空间需求以及成本问题，目前尚无法实现大规模建筑能量存储，因此有必要开发建筑材料自身的储能功能。水泥作为使用最广泛的建筑材料，具有巨大的表面积和体积优势，将其改造成储能材料将拥有极高的清洁能源利用潜力，对建筑运行阶段的节能减排具有重大意义。
东南大学孙正明教授、周扬副教授、潘龙副教授团队合作通过冰模板工艺制备了一种具有有序层状微结构的水泥基电解质（图1），实现了强度（26.5 MPa）与离子电导率（27.8 mS/cm）的协同提升，并在组装成超级电容器后获得了较理想的储能性能。
图1 层状水泥-PVA水凝胶复合电解质(简称：水泥基电解质)
制备工艺流程
实验过程中，首先对水泥基电解质的独特结构进行表征，水泥基电解质成功地形成了定向层状结构，并在片层之间填充了PVA水凝胶。此外，水凝胶与水泥基质具有良好的界面相容性，这表明水凝胶在水泥水化反应中起着关键作用，提高了复合材料的强度和稳定性（图2）。同时，层间水凝胶具有丰富的水相并引入了外部离子，显著改善了水泥基材料的电化学性能。
图2 PVA与KOH的加入促进水泥水化反应，生成更多水化产物，使桥接氧解离，增强Ca-O相互作用
随后，将水泥基电解质与MXene电极、活性炭电极、Co3O4电极等组装成超级电容器并表征了储能性能，在1mA·cm-2的电流密度下获得187.2 mF·cm-2的比容量。通过KOH溶液、PVA-KOH水凝胶、水泥基电解质3种材料的性能对比，证明了水泥基体不仅提供了结构支撑，提高了电解质的稳定性，还保留了水凝胶固有的高离子传导能力和电化学储能特性（图3），为建筑储能应用提供了可能。
图3 水泥基超级电容器的储能性能，通过3种电解质的对比测试进行水泥基电解质的性能分析
最后，本研究尝试扩大水泥基电解质进行器件尺寸递进研究，将组装工艺的纽扣电池壳式封装替换为铝塑薄膜封装，成功设计并制备了全水泥基超级电容器，在2mA·cm-2的电流密度下获得72.2 mF·cm-2的比容量。此外通过4个全电池的串联搭建缩尺房屋结构模型，实现了二极管灯的连续照明，这进一步证明了水泥基材料在建筑储能方面的应用可行性（图4）。
图4 通过扩大水泥基电解质的尺寸和换用不同的封装工艺探究应用环境对水泥基超级电容器的储能性能影响
本研究成功制备了基于水泥基材料的大尺寸超级电容器，实现了结构承载和高效储能一体化，未来可大规模应用，建筑水泥结构可以储存从太阳能和风能转化而来的可再生能源，为人类日常活动提供能量。这项研究为结构储能材料的设计与制备提供了一条新途径，并为实现节能和减少碳足迹的创新战略提供了新的可能性。
周扬，现任东南大学青年首席教授，国家高层次青年人才、江苏省优秀青年基金获得者，主要从事建筑储能与仿生功能材料（超级电容器、混凝土电池）、计算材料学（第一性原理、分子动力学、机器学习）、低碳/负碳水泥基材料（固废资源化、碳捕集技术）等方向的研究。近5年主持包括首批原创-探索项目在内的国家自然科学基金、国家重点研发计划课题等国家级项目6项，成果获中国公路学会科技进步一等奖、中国硅酸盐学会基础科学二等奖等多项奖励。
潘龙，东南大学材料学院副研究员、博士生导师，致力于二维材料的设计、合成、能量存储等基础与应用研究，在新材料体系与电化学储能机制等方面取得创新性成果，以第一和通讯作者在Adv Mater、Adv Energy Mater等国际期刊发表论文35篇。主持国家工信部高质量发展重点项目课题、国家自然科学基金青年基金、江苏省自然科学基金青年基金等。入选中国科协青年人才托举、江苏省“双创博士”、《Nanoscale》2024 Emerging Investigator等。目前担任中国颗粒学会青年理事、江苏省材料学会秘书处副秘书长、《储能科学与技术》青年编委。
孙正明，东南大学材料学院党委书记，国家特聘专家，东南大学首席教授。先后在中科院、维也纳大学（博士后）、日本丰桥技科大学（JSPS）进行复合材料、金属间化合物等研究。回国前在日本产业技术综合研究所（AIST）任部长助理兼主任研究员。研究领域涵盖金属、陶瓷、金属间化合物、复合材料等在结构、热电转换、储氢、储能等领域的基础与应用，已在Adv Mater、Adv Energy Mater、Chem Soc Rev、Nat Coumun等高水平期刊上发表200多篇SCI学术论文，申请40多项发明专利。。目前主持国家重点研发项目课题1项，国家自然科学基金重点项目1项、联合重点项目1项、面上项目2项，江苏省双创团队项目1项，江苏省双创人才项目1项等。担任中国复合材料学会职称评定委员会常务副主任委员、江苏省海外交流协会常务理事等。2016年获第六届全国侨界贡献（创新人才）奖。
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