JLG蓄电池具有生物炭调控微孔网络的水泥基电池：基础设施集成储能解决方案
来源：JLG电瓶 2026-03-11 20:14:27 点击：
水泥基电池为偏远地区或基础设施受限环境中的自供电传感提供了一条前景广阔的路径；然而，由于早期能量衰减和长期不稳定性等持续存在的挑战，其实际应用仍受到限制。本研究通过开发一种新型水泥基电池系统来解决这一问题，该系统将离散式锌嵌入水泥基阳极（DZCA）与作为阴极的内部钢筋增强材料相结合。为克服水泥电池的电化学局限性，本研究采用了一种孔隙结构优化策略，即在阳极封装基质中结合发泡剂与多孔生物炭颗粒（BCPs）。发泡剂产生的大孔结构增强了离子电导率并促进阳极产物传输，而BCPs则作为内部电解液储库，能够在锌-基质界面存储并逐步释放碱性溶液。采用多种技术手段（SEM-ImageJ、BET和微CT）对封装基质的孔隙结构特征进行表征，并在富氯环境下开展为期20周的干湿循环放电测试，以评估所制备水泥基电池的长期适用性。结果表明，BCP的掺入显著调控了阳极早期活化行为，并维持了水泥基电池优异的长期性能，这归因于BCP所具有的电解质缓冲能力。电化学阻抗谱(EIS)、扫描电子显微镜-能谱联用(SEM-EDS)及电阻率测试进一步证实：生物衍生共聚物(BCPs)的缓释电解液特性可维持孔隙溶液连续性、稳定局部碱度并持续电荷转移过程。最终研究表明，平均孔径介于7.5至29微米的电池组在测试条件下展现出卓越的能量保持率和电化学耐久性，这不仅揭示了关键孔径窗口的存在，更为构建耐久型基础设施一体化水泥基储能系统提供了微观结构设计准则。
水泥基电化学储能系统为下一代多功能基础设施提供了极具前景的发展路径[1]-[12]。在此类系统中，混凝土可作为结构性电荷储存库，既能存储电能又可驱动外部设备，从而提升能源效率与环境可持续性。近期来看，这类智能储能电池更适用于小规模、超低功耗的应用场景。如图1. 低功耗传感器网络（通常为0.01–100μW）在自然、城市和海洋生态系统中得到广泛应用，涵盖环境监测[13][14][15][16]、动物运动追踪[17][18]、安防监控[19]、火灾探测[20][21][22]、海水盐度与溶解氧监测[23][24]、光学[25]与声学[19][26]传感、空气质量评估[20]以及结构健康监测[15][27]等诸多领域。这种功耗需求与当前水泥基电池的输出范围高度吻合，凸显了其在多功能基础设施系统中实现自主供能的潜力。
水泥基电池通常采用两种不同电极分别作为阳极和阴极，而水泥基体则同时提供结构支撑和电化学活性介质。水泥基体内相互连通的孔隙网络作为离子传输通道，保留的孔隙溶液则充当电解液。通过对阳极-阴极结构[11][12][28][29][30][31][32]、电解液配方[10][11][29][30][33][34][35][36][37]以及导电添加剂增强基体电导率[2][38][39][40][41][42][43]的协同优化，目前最先进的水泥基电池已实现0.6-2V的输出电压和约10mWh/cm²的能量密度。2然而，尽管取得了这些进展，水泥基电池仍受限于两个固有缺陷。
水泥基电池的一个主要局限在于水泥基质的固有电阻特性，这会导致放电过程中产生显著的欧姆损耗，并使输出电压大幅低于理论值[1], [2], [4], [8], [29], [38]。这种高内阻主要源于水泥基质中不连续的离子传导路径。第二个关键局限源于初始放电阶段不受控且过高的电化学反应活性[1], [2], [4], [8], [29], [38], [44]，这会加速阳极腐蚀并导致金属活性材料的过早消耗。这种剧烈的早期反应不仅会快速耗尽阳极材料，还会在阳极-电解质界面处导致阳极产物的积累[45], [46], [47]。这些产物的积累逐渐形成界面屏障，阻碍离子传输并有效隔离阳极与周围电解质的相互作用[45][46][47]。这种渐进式的界面阻塞与电化学可及性的丧失被统称为阳极老化，其会严重损害阳极耐久性，并限制水泥基电池系统的长期能量输出与运行寿命。
本研究开发了一种结构-功能一体化的电池系统，命名为锌阳极钢筋增强水泥基电池（ZARCB）。该系统选择锌作为活性阳极材料，因其在碱性环境中具有适度的电化学反应活性、地壳丰度高、成本低廉，且相较于锂、钠、钾等碱金属阳极具有固有安全性。同时，钢筋在系统中兼具结构增强与阴极终端的双重功能。为应对上述挑战，本研究采用孔隙结构优化策略，通过协同掺入发泡剂与生物炭颗粒（BCPs）对封装水泥基体进行改性。发泡剂可形成相互贯通的大孔通道以促进离子传输并降低欧姆损耗，而高孔隙率的BCPs则作为内部电解液储库发挥作用，其机理类似于内养护剂[48][49][50]。通过这种孔隙设计，可调控阳极附近局部电解液供给与离子通量，从而在维持长期离子传输连续性的同时，有目的地抑制初始放电阶段的过度电化学反应活性。结果表明，该集成策略有效缓解了阳极老化现象，使水泥基电池系统能够实现持久稳定的能量输出。
更重要的是，现有关于水泥基电池的研究主要集中于短期电化学性能评估——通常在受控实验室条件下进行数小时至数天的测试[1][2][4][8][29][38][44]。对于这类系统在实际服役环境中长期行为的认知仍存在重大空白。在实际应用中，水分供应的波动和氯离子的循环暴露会显著影响离子传输、电极腐蚀动力学以及储能系统的整体稳定性。然而，在具有现场代表性的条件下进行的系统性研究仍然匮乏。为填补这一知识空白，本研究通过为期五个月的模拟服役条件实验（涉及NaCl循环诱导的干湿交替暴露），评估了在自放电（原电池）模式下运行的ZARCB系统的长期性能。结果表明，BCP诱导产生的平均孔径为7.5至29微米的微孔结构，能有效缓冲阳极界面处的电解液可用性，从而抑制早期电压衰减并显著提升长期电化学稳定性。因此，7.5-29微米的平均孔径范围可为设计在干湿交替暴露条件下保持持久电化学性能的水泥基电池提供实用指导。这些研究结果建立了孔隙结构工程与电化学耐久性之间的直接关联，为开发能在恶劣服役环境下可靠运行的基础设施一体化水泥基电池提供了重要见解。确立这种结构-耐久性关系对于将水泥基电池从短期实验室验证转化为需要长期稳定运行的基础设施一体化能源系统至关重要。
引言
水泥基电池通常采用两种不同电极分别作为阳极和阴极，而水泥基体则同时提供结构支撑和电化学活性介质。水泥基体内相互连通的孔隙网络作为离子传输通道，保留的孔隙溶液则充当电解液。通过对阳极-阴极结构[11][12][28][29][30][31][32]、电解液配方[10][11][29][30][33][34][35][36][37]以及导电添加剂增强基体电导率[2][38][39][40][41][42][43]的协同优化，目前最先进的水泥基电池已实现0.6-2V的输出电压和约10mWh/cm²的能量密度。2然而，尽管取得了这些进展，水泥基电池仍受限于两个固有缺陷。
水泥基电池的一个主要局限在于水泥基质的固有电阻特性，这会导致放电过程中产生显著的欧姆损耗，并使输出电压大幅低于理论值[1], [2], [4], [8], [29], [38]。这种高内阻主要源于水泥基质中不连续的离子传导路径。第二个关键局限源于初始放电阶段不受控且过高的电化学反应活性[1], [2], [4], [8], [29], [38], [44]，这会加速阳极腐蚀并导致金属活性材料的过早消耗。这种剧烈的早期反应不仅会快速耗尽阳极材料，还会在阳极-电解质界面处导致阳极产物的积累[45], [46], [47]。这些产物的积累逐渐形成界面屏障，阻碍离子传输并有效隔离阳极与周围电解质的相互作用[45][46][47]。这种渐进式的界面阻塞与电化学可及性的丧失被统称为阳极老化，其会严重损害阳极耐久性，并限制水泥基电池系统的长期能量输出与运行寿命。
本研究开发了一种结构-功能一体化的电池系统，命名为锌阳极钢筋增强水泥基电池（ZARCB）。该系统选择锌作为活性阳极材料，因其在碱性环境中具有适度的电化学反应活性、地壳丰度高、成本低廉，且相较于锂、钠、钾等碱金属阳极具有固有安全性。同时，钢筋在系统中兼具结构增强与阴极终端的双重功能。为应对上述挑战，本研究采用孔隙结构优化策略，通过协同掺入发泡剂与生物炭颗粒（BCPs）对封装水泥基体进行改性。发泡剂可形成相互贯通的大孔通道以促进离子传输并降低欧姆损耗，而高孔隙率的BCPs则作为内部电解液储库发挥作用，其机理类似于内养护剂[48][49][50]。通过这种孔隙设计，可调控阳极附近局部电解液供给与离子通量，从而在维持长期离子传输连续性的同时，有目的地抑制初始放电阶段的过度电化学反应活性。结果表明，该集成策略有效缓解了阳极老化现象，使水泥基电池系统能够实现持久稳定的能量输出。
更重要的是，现有关于水泥基电池的研究主要集中于短期电化学性能评估——通常在受控实验室条件下进行数小时至数天的测试[1][2][4][8][29][38][44]。对于这类系统在实际服役环境中长期行为的认知仍存在重大空白。在实际应用中，水分供应的波动和氯离子的循环暴露会显著影响离子传输、电极腐蚀动力学以及储能系统的整体稳定性。然而，在具有现场代表性的条件下进行的系统性研究仍然匮乏。为填补这一知识空白，本研究通过为期五个月的模拟服役条件实验（涉及NaCl循环诱导的干湿交替暴露），评估了在自放电（原电池）模式下运行的ZARCB系统的长期性能。结果表明，BCP诱导产生的平均孔径为7.5至29微米的微孔结构，能有效缓冲阳极界面处的电解液可用性，从而抑制早期电压衰减并显著提升长期电化学稳定性。因此，7.5-29微米的平均孔径范围可为设计在干湿交替暴露条件下保持持久电化学性能的水泥基电池提供实用指导。这些研究结果建立了孔隙结构工程与电化学耐久性之间的直接关联，为开发能在恶劣服役环境下可靠运行的基础设施一体化水泥基电池提供了重要见解。确立这种结构-耐久性关系对于将水泥基电池从短期实验室验证转化为需要长期稳定运行的基础设施一体化能源系统至关重要。