JLG蓄电池温度对高性能泡沫镍水泥基可充电电池电化学性能影响的初步评估
来源：JLG电瓶 2026-03-28 09:27:53 点击：
鉴于混凝土结构复杂的服役环境与可充电泡沫镍水泥基电池的温度敏感性，本研究对其在宽温域（-40至100°C）下的电化学性能进行了初步评估。通过循环伏安法（CV）、电化学阻抗谱（EIS）、开路电压（OCV）测试及恒流充放电测量，系统评估了关键的温度依赖性行为，包括氧化还原反应活性、内阻演变、充放电稳定性、自放电特性及能量输出能力。结果表明，温和温度区间（0-50°C）为最佳工作范围，在此范围内电池表现出更稳定的短期充放电行为与更高的放电能量密度。温度依赖的CV和EIS曲线进一步证实：电化学活性与界面电阻受温度影响显著，从而影响整体性能。在不同电流密度（0.1-0.5 mA/cm²）下的恒电流测试表明，随着温度升高，电极材料表现出增强的倍率性能和循环稳定性。Arrhenius方程分析揭示电荷传输活化能从25°C时的0.32 eV降至60°C时的0.18 eV，证实升温显著降低了锂离子扩散能垒。这种热激活行为与交流阻抗谱中观察到的界面电荷转移电阻（R<sub>ct</sub>）降低现象一致，表明高温环境有利于电极-电解质界面的动力学过程。2随着放电倍率增加，库仑效率呈现典型下降趋势，而升高温度能有效缓解这一现象。此外，荷电状态-开路电压（SOC-OCV）曲线与自放电分析表明，20-50°C温度区间表现出更稳定的电压衰减特性。因此可将该温度范围确定为增强水泥基电池系统能量保持能力和电化学稳定性的最佳静置温度窗口。本研究首次建立了泡沫镍水泥基电池的温度依赖性性能数据集，为未来机理研究和面向基础设施的工程应用提供了参考框架。
储能混凝土代表了一类新兴的多功能材料，它将传统建筑材料的结构优势与电化学储能技术的能力相结合，展现出显著的应用潜力[1]。%% 早期对水泥基电化学系统的探索可追溯至开创性研究，其中硬化水泥浆体被作为金属基电池的固态碱性电解质进行研究[37]。%% 后续研究进一步验证了利用孔隙溶液作为电解质、并将活性材料嵌入水泥基体中的多层水泥基电池构型的可行性[38]，为现代结构储能概念奠定了基础。与传统储能装置需要专用外壳并占用额外空间不同，结构集成式储能技术可实现能量直接分散储存于承重构件内部。在此类系统中，电池作为结构元件的组成部分，同时为建筑电力管理提供机械支撑与局域化能量存储功能[2][3][4]。因此，尽管水泥基电池的能量密度低于商用电池，但其可直接集成于建筑物或基础设施的Ability，实现了大规模分布式储能[40]。这一特性弥补了其相对较低的面能量密度，展现出显著的应用潜力。基于混凝土的电池技术发展有望推动可持续建筑与自给式能源系统的突破性进展，尤其在智能建筑和可再生能源存储等领域具有应用潜力[5][6]。例如，水泥基电池可集成至bridge桥墩或道路铺面中，为监测应力演变或温度变化的嵌入式系统提供局域化持续电力，从而支持基于状态的维护与及时干预。
混凝土基电池的环境适应性对其在基础设施系统中的实际部署至关重要。在各种环境因素中，温度对胶凝材料的力学性能和电化学性能具有特别显著的影响[7][8]。现有研究表明，随着温度降低，混凝土的抗压强度通常呈现上升趋势。然而这种增强效应并非在整个温度范围内持续存在；超过特定临界点后，强度达到峰值后会趋于稳定或轻微下降[9][10][11]。在电化学性能方面，低温会显著降低离子迁移率，影响离子-离子及离子-固相相互作用，并改变孔隙溶液中的离子浓度。这些因素共同导致离子传输受阻并减缓电化学反应，从而引起显著的性能衰减[7][12]。
高温环境对混凝土同样产生显著影响。力学性能方面，温度升高会促使水泥浆体脱水及水化产物分解，导致抗压强度下降。孔隙率增加、含水量变化以及密实度降低会进一步损害结构完整性。此外，热膨胀、孔隙压力波动以及诸如开裂、徐变和剥落等热致现象，都会加速长期性能劣化并降低耐久性[13][14][15]。从电化学角度而言，高温会增强水泥基体中的离子电导率并加速氧化还原动力学，从而提升电化学活性[7]。全年龄段商用电池系统的设计通常以中等温度区间为运行标准。超出该范围的操作往往会导致循环寿命缩短、放电容量下降以及整体性能受损[16][17][18][19]。
McKubre与Macdonald[39]系统研究了碱性电池电极的温度限制，证实电极动力学特性、极化行为和稳定性均显著受工作温度影响，无论低温或高温环境都会对性能产生制约。Ling等[20]在5°C与−10°C环境温度下对锂电池进行循环测试，结果表明低温环境会降低放电电压并加速容量衰减，从而对电池性能造成负面影响。类似地，Situ等[21]研究了18,650型锂离子电池在30°C和50°C工作温度下的热行为，其发现表明电极材料晶体结构退化是高温条件下电池失效的主要原因。
温度稳定性和倍率性能是评估电池系统环境适应性与动态性能的两项关键指标。温度稳定性决定了电池在变温工况下的安全性及电化学反应可逆性，而倍率性能则反映了其在高放电电流下维持能量输出与效率的能力。这两个参数共同决定了电池在复杂工程环境中的运行可靠性、循环寿命及整体可行性[22][23]。为更真实地模拟实际运行场景，温度与倍率性能测试已被广泛用于评估商用电池系统。例如，Ouyang等[24]研究了高温环境对锂离子电池最佳循环倍率的影响。与标准环境条件（26°C）相比，较高温度（70°C）提升了电池的高倍率循环性能。然而在此类热工况下，电池会经历加速老化过程，表现为容量衰减与性能恶化速率加快。
水泥基电池应用于建筑一体化储能系统时，需具备长期运行能力并承受显著的季节性与昼夜温差波动[25]。在寒冷气候区域，混凝土结构可能暴露于接近−40°C的环境温度中；而在炎热或强辐射环境下，因太阳辐射加热与局部热积聚效应，其表面温度可能急剧上升[35][36]。因此，这类电池通常需要在宽泛的工作温度范围内保持稳定性能。现有研究虽已探讨温度对传统胶凝材料机械强度与耐久性的影响，但混凝土基电池的温度适应性仍属研究空白领域[22]。尽管前期研究为理解混凝土电极与电解质的电化学行为奠定了基础，温度适应性作为影响长期性能的关键参数仍需进一步关注与系统研究。另一方面，电池放电速率直接决定了电极-电解质界面的电化学反应动力学特性，是调控能量释放效率与系统整体动态响应的核心因素。
本研究进一步探究了水泥基电池在不同温度条件下的电化学性能，重点考察了其在-40°C至100°C宽温域范围内及不同充放电倍率下的行为特征。据我们所知，这是首次针对水泥基电池在如此宽泛温度区间内环境适应性的系统性研究。通过初步评估氧化还原活性、内阻变化、能量输出效率及稳定性等关键指标，揭示了该电池体系在极端温度环境中的性能演变规律。此外，本研究建立了SOC-OCV关系曲线，系统分析了自放电特性及库仑效率与放电电流密度的相关性。这些研究旨在揭示该系统的环境适应性与load响应机制，从而为结构储能材料在复杂服役工况下的实际应用提供实验依据。
引言
混凝土基电池的环境适应性对其在基础设施系统中的实际部署至关重要。在各种环境因素中，温度对胶凝材料的力学性能和电化学性能具有特别显著的影响[7][8]。现有研究表明，随着温度降低，混凝土的抗压强度通常呈现上升趋势。然而这种增强效应并非在整个温度范围内持续存在；超过特定临界点后，强度达到峰值后会趋于稳定或轻微下降[9][10][11]。在电化学性能方面，低温会显著降低离子迁移率，影响离子-离子及离子-固相相互作用，并改变孔隙溶液中的离子浓度。这些因素共同导致离子传输受阻并减缓电化学反应，从而引起显著的性能衰减[7][12]。
高温环境对混凝土同样产生显著影响。力学性能方面，温度升高会促使水泥浆体脱水及水化产物分解，导致抗压强度下降。孔隙率增加、含水量变化以及密实度降低会进一步损害结构完整性。此外，热膨胀、孔隙压力波动以及诸如开裂、徐变和剥落等热致现象，都会加速长期性能劣化并降低耐久性[13][14][15]。从电化学角度而言，高温会增强水泥基体中的离子电导率并加速氧化还原动力学，从而提升电化学活性[7]。全年龄段商用电池系统的设计通常以中等温度区间为运行标准。超出该范围的操作往往会导致循环寿命缩短、放电容量下降以及整体性能受损[16][17][18][19]。
McKubre与Macdonald[39]系统研究了碱性电池电极的温度限制，证实电极动力学特性、极化行为和稳定性均显著受工作温度影响，无论低温或高温环境都会对性能产生制约。Ling等[20]在5°C与−10°C环境温度下对锂电池进行循环测试，结果表明低温环境会降低放电电压并加速容量衰减，从而对电池性能造成负面影响。类似地，Situ等[21]研究了18,650型锂离子电池在30°C和50°C工作温度下的热行为，其发现表明电极材料晶体结构退化是高温条件下电池失效的主要原因。
温度稳定性和倍率性能是评估电池系统环境适应性与动态性能的两项关键指标。温度稳定性决定了电池在变温工况下的安全性及电化学反应可逆性，而倍率性能则反映了其在高放电电流下维持能量输出与效率的能力。这两个参数共同决定了电池在复杂工程环境中的运行可靠性、循环寿命及整体可行性[22][23]。为更真实地模拟实际运行场景，温度与倍率性能测试已被广泛用于评估商用电池系统。例如，Ouyang等[24]研究了高温环境对锂离子电池最佳循环倍率的影响。与标准环境条件（26°C）相比，较高温度（70°C）提升了电池的高倍率循环性能。然而在此类热工况下，电池会经历加速老化过程，表现为容量衰减与性能恶化速率加快。
水泥基电池应用于建筑一体化储能系统时，需具备长期运行能力并承受显著的季节性与昼夜温差波动[25]。在寒冷气候区域，混凝土结构可能暴露于接近−40°C的环境温度中；而在炎热或强辐射环境下，因太阳辐射加热与局部热积聚效应，其表面温度可能急剧上升[35][36]。因此，这类电池通常需要在宽泛的工作温度范围内保持稳定性能。现有研究虽已探讨温度对传统胶凝材料机械强度与耐久性的影响，但混凝土基电池的温度适应性仍属研究空白领域[22]。尽管前期研究为理解混凝土电极与电解质的电化学行为奠定了基础，温度适应性作为影响长期性能的关键参数仍需进一步关注与系统研究。另一方面，电池放电速率直接决定了电极-电解质界面的电化学反应动力学特性，是调控能量释放效率与系统整体动态响应的核心因素。
本研究进一步探究了水泥基电池在不同温度条件下的电化学性能，重点考察了其在-40°C至100°C宽温域范围内及不同充放电倍率下的行为特征。据我们所知，这是首次针对水泥基电池在如此宽泛温度区间内环境适应性的系统性研究。通过初步评估氧化还原活性、内阻变化、能量输出效率及稳定性等关键指标，揭示了该电池体系在极端温度环境中的性能演变规律。此外，本研究建立了SOC-OCV关系曲线，系统分析了自放电特性及库仑效率与放电电流密度的相关性。这些研究旨在揭示该系统的环境适应性与load响应机制，从而为结构储能材料在复杂服役工况下的实际应用提供实验依据。
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