文献速读
Adv. Mater. ：用于低碳自供电建筑的高性能仿生可充电水泥基电池
题目
High-Performance Bioinspired Rechargeable Cement-Based Batteries for Low-Carbon Self-Powered Buildings
用于低碳自供电建筑的高性能仿生可充电水泥基电池
来源
出版年份：2025年
来源：Advanced Materials
第一作者：同济大学材料科学与工程学院 蔡强 博士生
通讯作者：同济大学材料科学与工程学院 赵晓莉 助理教授 ＆ 徐玲琳 副教授 ＆ 吴凯 教授
研究背景
开发大规模、安全且经济高效的储能系统对于缓解清洁能源供需失衡至关重要。其中，水泥基电池（CEMBs）作为一种新型储能系统，因其响应迅速、安全性高和成本低廉而引起极大关注。基于水泥基材料的高消耗量及广阔应用范围，CEMBs具有大规模部署的巨大潜力。将电池系统集成到水泥结构中，该创新装置提供了将储能能力与承载能力相结合的多功能特性。这使得CEMBs在与可再生能源系统（如光伏、风能）耦合并集成到土木基础设施中的同时，可实现建筑能源自给自足和电网独立性。这消除了土地使用冲突，同时规避了集中输电网络固有的能量损失和基础设施成本。因此，发展CEMBs对于解决能源供需失衡问题以及推动土木工程领域可持续发展具有重大意义。
在CEMBs的典型结构中，水泥基体的多孔网络充当电解质溶液的容器。这种双连续结构促进离子通过充满液体的孔隙迁移，从而在电极界面实现氧化还原反应。早期研究通过合成高性能电极材料和优化电池结构（电极-探针型）等方法提升CEMBs的电化学性能。其中，最先进的CEMBs在200次循环内展现出2.56 kWh·m−3的最大体积容量，使其能够为低功耗结构健康监测设备供电。然而，CEMBs的电化学性能仍处于发展初期，典型CEMBs系统存在容量有限、循环寿命短和可充电性差等问题，为其实际应用带来挑战。在影响这些电池性能的关键因素中，水泥基电解质内部的离子传输行为至关重要。离子迁移效率与水泥基材料结构特性密切相关。与传统电池具有微米级电解质厚度不同，CEMBs系统通常需要厘米级厚度，以确保其实际适用性和承载能力。因此，CEMBs中的电解质厚度是传统电池的数千倍，导致其离子传输距离显著增加。此外，水泥基体中水化产物的随机致密堆积形成了不连续且高度曲折的离子传输路径。这对离子迁移造成了显著障碍，并增加了界面电阻，最终表现为CEMBs的低容量和低循环寿命。克服上述挑战对于CEMBs的实际可行性至关重要。研究者已提出多种策略来增强水泥基电解质中的离子传输。其中，引气处理和掺入聚合物（聚丙烯酸、聚环氧乙烷、聚丙烯酰胺）等方法对水泥基电解质离子传输有一定优化作用，可增加水泥孔隙通道连续性并创建快速离子传输路径。然而，上述策略通常会损害水泥基体结构完整性，甚至抑制水泥水化，导致水泥基材料抗压强度显著下降。这削弱了CEMBs的多功能性和实际应用价值。最近研发了一种定向层状水泥-聚合物水凝胶复合材料，可在保持水泥基超级电容器力学完整性的同时，增强其离子电导率。然而，这类复合材料中采用的多步聚合物浸渍-冷冻工艺在应用于厚水泥体系时存在挑战，从而增加了匀质性问题和潜在冻融损伤风险。为促进CEMBs的应用，亟需设计和制备兼具优异离子电导率和力学强度的水泥基电解质。
自然界中，针叶树展现了一种高效的远距离养分输送系统，其传输距离可达数米。针叶树在漫长的进化过程中发展出一种独特结构，在高力学强度和高效养分输送之间实现了卓越的平衡。这主要归因于针叶树轴向管胞和细胞壁等多级结构。这些微通道的各向异性排布对于优化针叶树纵向性能至关重要，使得针叶树可实现低曲折度并促进养分快速传输，同时赋予其优异力学性能。因此，受针叶树启发，将针叶树中观察到的设计原理应用于开发CEMBs，有望实现高离子电导率与力学性能。
研究出发点
当前尚无研究基于针叶树结构制备CEMBs，且尚未研究该仿生CEMBs的电化学性能及力学性能。
研究内容
本文开发了一种受针叶树启发的CEMBs，该仿生水泥电解质同时实现了快速离子传输和高力学强度。具体而言，通过冰模板法创建了垂直排列的孔道，从而制备了具有低曲折度结构的水泥基电解质，研究了该水泥基电解质的力学性能、孔结构以及离子电导率；鉴于水泥基电解质的高碱性环境，选择耐碱性碳纸（CP）@镍钴层状双氢氧化物（NiCo-LDH）和锌（Zn）分别作为电池正极和负极组装CEMBs，表征了所制备CEMBs电化学性能；在外部荷载作用下，将所制备CEMBs用于电子设备供电，探究其应用潜力。
图1仿生CEMBs的设计原理与应用示意
图2 仿生水泥基电解质的制备示意和形貌：（a-c）冰模板法机理：（a）冰生长锋在温度梯度下运动导致水泥颗粒聚集在冰周围；（b）形成嵌入长程有序冰片层的水泥块；（c）由熔融冰中水促进水泥水化；（d）冰模板法浇注装置；（e）长程有序冰片层；（f）养护后的致密水泥块；（g-i）纵向截面的扫描电子显微镜（SEM）图：（g，h）具有长程排列单向结构的仿生CEMBs；（i）天然针叶树（FD表示冻结方向，GD表示生长方向）
图3 水泥基电解质结构、力学和离子导电性表征：（a）常规浇筑水泥基电解质（CC-0.5）和仿生水泥基电解质（FC-0.5）纵向截面的背散射电子和相应的二进制图像；（b）孔径分布；（c）孔隙率和弯曲度；（d）当被100 °C热台加热时，温度沿纵向截面随时间演变；（e）横向导热系数（⊥δt）和纵向导热系数（//δt）；（f）离子电导率；（g）抗压应力应变曲线；（h）比抗压强度和能量吸收密度；（i）各种水泥基电解质抗压强度和离子电导率对比
图4 以FC-0.5和CC-0.5为电解质的CEMBs电化学性能；（a）Zn//NiCo-LDH电池示意图；（b）0.5 mV·S-1下的CV曲线；（c）恒流充电后的电压-时间曲线；（d）具有插图所示等效电路模型的电化学阻抗（EIS）曲线；（e）充放曲线（黑色箭头表示电压极化（定义为50%完全放电时的电位差）；（f）速率性能；（g）在0.5 A·g-1下的循环性能；（h）基于水泥的电化学储能装置的Ragone图
图5仿生CEMBs的储能应用：（a、b）6个CEMBs系统在外部荷载下的照片：（a）点亮发光二极管屏幕；（b）给手机充电
主要结论
本文通过模拟针叶树的管胞结构，成功设计并制备了一种电化学性能显著增强的仿生水泥基电池（CEMBs）。主要结论如下：
（1）利用冰模板法，在水泥基体中构建了垂直排列孔道。相较于传统CEMBs，本文所设计的仿生水泥基电解质离子传输曲折度降低63.3%，从而提升其离子电导率4倍（达32.7 mS·cm−1）。更值得注意的是，该仿生结构同时还具有41.6 MPa的高力学强度，相较于空白水泥样本仅轻微下降4.6 MPa。
（2）仿生水泥基电解质的低曲折度结构显著降低其电荷转移电阻，并改善其氧化还原反应动力学，从而实现了优异的倍率性能。受益于该仿生策略，准固态CEMBs在0.5 A·g-1电流密度下可提供114 mAh·g-1的显著容量，并在300次循环后仍保持63.2%的容量。相比之下，传统CEMBs具有较低的初始容量（62 mAh·g-1），且性能衰减迅速，在仅75次循环后即失效。此外，本文所开发的仿生CEMBs能够在承受外部力学载荷的同时为手机充电，展示了其储能—承载的双重功能。
本文提出了一种可行策略来制备兼具高电化学性能和力学性能的CEMBs，为开发高性能水泥基储能系统提供了一条前景广阔的发展路径。
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本期编者简介
翻译：
渐 玉
校核：
排版：
王晓雨 硕士生 湖北工业大学
本期学术指导
王宝民 教 授 大连理工大学
王栋民 教 授 中国矿业大学（北京）
文献链接：
https:///10.1002/adma.202505202