文献速读
Carbon Energy：基于超离子定向层状镁-水泥电解质的固态储能墙板解锁零碳建筑
题目
Unlocking Zero-Carbon Buildings via Solid-State Energy Storage Wallboards Enabled by Superionic Oriented Layered Magnesia-Cement Electrolytes
基于超离子定向层状镁-水泥电解质的固态储能墙板解锁零碳建筑
关键词
水泥基储能器件；多功能墙板；定向层状结构；固态电解质；超离子电导率
来源
出版年份：2025年
来源：Carbon Energy
通讯作者：东南大学材料科学与工程学院 周扬 教授 ＆ 潘龙 副研究员
缩写列表
研究背景
建筑是人类日常生活的基本需求之一，其运营和维护阶段能耗约占全球能耗的40%。幸运的是，建筑通常具有大面积屋顶，为分布式光伏系统提供了充足空间，以产生可再生电力并降低CO2排放。然而，日光仅可在日间采集且具有本征不稳定与不可预测特性，导致可再生能源电力无法实现持续利用。在此背景下，必须配置EESSs以储存波动性可再生电力，并根据用电需求进行放电。另一方面，传统EESSs在城区应用时面临重大挑战，主要归因于建筑空间受限。EESSs通常占用较大体积，与人口密集地区有限空间资源不相容。此外，现有EESSs主要基于锂离子电池，其有机电解质的可燃性存在固有安全隐患，不宜与建筑集成。因此，研发可同时解决空间受限与建筑安全问题的创新型EESSs具有重要紧迫性与战略意义。
由于水泥基材料是全球年产量超30亿吨的建筑材料，水泥基结构EESSs近年来已作为一种替代方案。已有研究者开发碳-水泥电极与碱性水泥电解质，用于构建建筑储能结构超级电容器。由此可见，水泥基结构EESSs需满足双重基本要求：作为储能系统实现能量存储，且作为结构部件承受荷载。然而，水泥基结构EESSs面临若干关键问题，阻碍其实际应用：（1）赋予水泥储能特性必然削弱其力学强度，这种威胁建筑本质安全性的缺陷不可接受；（2）为增强离子存储性能常采用强碱性电解质，存在潜在人身安全风险；（3）尽管水泥相较于传统电池/超级电容器材料成本较低，但需开发复杂建筑工法与结构体系以取代现有简便框架结构，显著增加建筑成本；（4）既有建筑缺乏额外安装空间，致使此类EESSs仅适用于新建建筑。综上，水泥基结构EESSs并非解决建筑储能安全与空间限制问题的理想方案，尤其在既有建筑改造中局限性更为突出。
CSESWs作为新型建筑EESSs，可完美解决上述问题。首先，建筑普遍具有大面积外立面与内墙空间，这些区域通常采用普通墙板装饰，而CSESWs可直接替代原墙板而不占用额外空间。因此，CSESWs成为兼具低成本与高空间利用率的建筑储能解决方案，适用于新建及既有各类建筑。此外，CSESWs仅作为非承重墙面装饰层而非结构构件，不会损害建筑结构完整性或本质安全性。更重要的是，CSESWs的固态特性赋予其不可燃与无泄漏优势，对人身安全无毒无害。凭借这些优势，CSESWs为EESSs与分布式光伏系统集成提供了安全、节地且经济高效的路径，可有效降低建筑CO2排放。
研究出发点
本文旨在解决当前CSESWs面临两大严峻挑战：（1）水泥基固态电解质离子传输滞后导致CSESWs能量密度受限；（2）缺乏普通墙板所需的优异韧性、耐热性、轻质性等多功能特性。
研究内容
本文采用双轴冰模板法制备OLMC，并在其定向层间填充快速离子传导的PAM电解质，形成具有“砖-泥”结构的仿生OLMC/PAM复合固态电解质。具体而言，选用具有更快硬化速率、更强粘结性能、更多游离阳离子及更低煅烧温度的镁水泥作为基材，选用离子电导率高、粘附性能优、成本低且操作简便的PAM作为电解质，制备OLMC/PAM复合固态电解质；通过SEM、X-CT、NMR、FTIR及XPS分析OLMC/PAM的微观结构与化学组成，并表征该电解质力学性能、界面拉伸强度、密度及热导率等多功能特性；利用OLMC/PAM复合固态电解质与对称/非对称电极组装，评估其电化学性能，结合MD模拟和DFT计算揭示OLMC/PAM离子传输机制；将6组OLMC/PAM基CSESWs串联组装，计算采用该CSESWs改造的既有住宅建筑日用电需求满足量；使用四块总面积100 cm2的OLMC/PAM基CSESWs构建概念验证建筑，验证该材料体系的实际应用潜力。
图1 基于OLMC/PAM的CSESWs与分布式光伏系统相结合的零碳建筑示意
图2 OLMC/PAM微观结构与化学表征：（A）TMC、（B）OLMC及（C）OLMC/PAM结构示意与截面SEM图；（D）OLMC的X-CT图：（D-1）水平切片、（D-2）3D重建图、（D-3）高密度相（棕色为镁水泥）以及（D-4）低密度相（灰色为孔隙）分布；（E）TMC、OLMC及OLMC/PAM的FTIR光谱； PAM与OLMC/PAM的（F）O1s及（G）N1s XPS图；（H）通过NMR测定的TMC、OLMC及OLMC/PAM孔径分布与孔隙率
图3 OLMC/PAM的离子传导特性与多功能性： TMC、OLMC及OLMC/PAM的（A）阻抗谱图与（B）离子电导率；（C）TMC、OLMC及OLMC/PAM的抗折强度、抗压强度及其强度比；（D）TMC、OLMC及OLMC/PAM的热导率对比；（E）通过劈裂拉伸试验获得的OLMC/PAM与硅酸盐水泥、TMC及泡沫镍的界面拉伸强度；（F）TMC、OLMC及OLMC/PAM的密度、离子电导率与热导率综合对比
图4 OLMC/PAM的离子传导机理：（A）离子色谱法测得的OLMC/PAM溶液离子浓度；（B）通过XRD测算的TMC、OLMC及OLMC/PAM矿物组成与含量；（C）OLMC/PAM离子传输示意；（D）PAM中NH4+、K+、Mg2+和SO42-的MD模拟快照，（E）基于MSD计算的阳离子自扩散系数和（F）RDF；（G）OLMC中NH4+、K+、Mg2+和SO42-的MD模拟快照；（H）基于MSD计算的阳离子自扩散系数以及（I）RDF；（J）NH4+沿PAM链、OLMC及OLMC/PAM界面传输过程的能量势垒（插图为示意图）；（K）NH4+、K+和Mg2+沿OLMC/PAM界面传输过程的能量势垒与示意图（插图为示意图）
图5 MXene|OLMC/PAM|MXene对称CSESWs的电化学性能：（A）MXene纳米片的TEM图像（插图为电池构型示意）；（B）以碳材料、MXene和AC作为对称电极时的工作电压与电容对比；（C）不同截止电压下的CV曲线；（D）不同扫描速率下的CV曲线；（E）不同电流密度下的GCD曲线；（F）倍率面电容；（G）能量密度-功率密度关系图；（H）MXene|OLMC|MXene与MXene|OLMC/PAM|MXene的电压降对比；（I）在2mA·cm-2电流密度下的长期循环稳定性（插图为单个MXene|OLMC/PAM|MXene电池点亮LED灯照片）（注：所有面电容均基于两个电极总面积计算）
图6 MnO2|OLMC/PAM|V2C的电化学性能及基于OLMC/PAM的CSESWs建筑储能概念验证：（A）MnO2纳米颗粒的TEM图像及元素分布（插图为电池结构示意）；（B）扫描速率为0.3~10 mV·s-1下的CV曲线；（C）单个MnO2|OLMC/PAM|V2C电池在0.5~5mA·cm-2电流密度下的初始放电曲线（注：每组电流密度下测试三个循环）；（D）6个串联MnO2|OLMC/PAM|V2C电池的电容与能量密度；（E）本文与近期报道的水泥基电解质及结构EESSs电容与离子电导率对比；（F）由4个串联OLMC/PAM基超级电容器构成的建筑原型工作照片；（G）住宅、商业及工业建筑的RSD值
主要结论
本文通过开发OLMC/PAM复合固态电解质，成功验证了CSESWs作为建筑一体化EESSs的创新方案。主要结论如下：
（1）基于OLMC取向结构与快离子传导PAM凝胶电解质的协同效应，OLMC/PAM具备101.1 mS·cm-1的超离子电导率，同时具备高韧性、隔热特性、轻质化与强粘附性等卓越多功能性。
（2）OLMC/PAM基CSESWs采用多元电极材料，展现出2778.9 mF·cm-2的比电容、10.8 mWh·cm-2的能量密度及5000次循环后98%容量保持率的优异循环稳定性。
（3）采用总面积100 cm2的OLMC/PAM基CSESWs成功构建示范性建筑模型。经验证，该OLMC/PAM基CSESWs可存储住宅建筑98%的日用电量，彰显其降低外部能源依赖的重要潜力。
需要说明的是，后续研究需重点关注墙板在湿度波动与温度变化环境下的长期循环稳定性与耐久性。本文为实现近零碳建筑提供了可规模化、具成本效益的技术路径，推动了符合全球碳中和目标的可持续储能解决方案发展。
如果您觉得我们分享的内容对您有帮助，请帮我们点亮“赞”和“推荐”。让我们更有动力地更新！
本期编者简介
翻译：
渐 玉
校核：
高宇飞 硕士生 沈阳建筑大学
排版：
王晓雨 硕士生 湖北工业大学
第一作者简介
王宝民 教 授 大连理工大学
文献链接：
https:///10.1002/cey2.70044