水泥-锌回收电池-建筑储能新生态

0. 论文简介

本文由西安建筑科技大学与深圳大学的学者完成，发表于《Advanced Functional Materials》（IF=19）。研究创新开发了可回收水泥锌电池，通过回收失效电池的水泥电解质并重组，在固化过程中原位形成锌酸钙（CZOH）界面相，解决了传统水泥基电池界面不稳定、离子传输慢的痛点，实现了 2500 小时长循环稳定性，为建筑储能一体化提供了可持续解决方案。

1. 研究背景

全球能源转型背景下，低碳自供电建筑成为发展趋势，将储能功能集成到水泥等建筑材料中是关键路径。但现有水泥基电池面临界面不稳定、离子传输缓慢、副反应严重等问题，制约了其耐久性与实用性。传统方案多依赖添加剂改良，效果有限且难以兼顾环保性。亟需开发新型界面工程策略，在保障建筑承载能力的同时，提升电池循环稳定性与可持续性。

2. 测试与分析

以波特兰水泥为基材，优化水胶比（W/C）至 0.4，制备水泥准固体电解质（CQE）；回收失效对称电池的水泥电解质，经研磨重组得到回收水泥准固体电解质（RCQE）。通过 XRD、SEM、TGA 等表征微观结构与物相组成；借助 DFT 计算分析界面相热力学特性，COMSOL 模拟孔隙结构对离子传输的影响；通过原位 pH、EIS/DRT 等技术研究界面稳定性；组装 Zn‖Zn 对称电池与 Zn‖MnO₂全电池，测试循环稳定性、速率性能及机械承载能力，验证光伏 - 电池集成系统的实用性。

3. 结果与分析

微观结构方面，RCQE 经回收重组后形成更连续的 C-S-H 凝胶网络，孔隙连通性提升，总孔隙率从 25.74% 增至 38.85%，离子电导率达 0.7 S/m，是 CQE（0.35 S/m）的 2 倍。界面工程上，固化过程中原位生成的 CZOH 相具有电子绝缘、离子导通特性，DFT 计算显示其氢吸附自由能达 2.78 eV，较金属锌（0.47 eV）显著提升，热力学上抑制析氢副反应。

电化学性能表现优异：RCQE 对称电池在 0.1 mA/cm²、0.1 mAh/cm² 条件下稳定运行 2500 小时，远超 CQE 的 1780 小时；临界电流密度达 28 mA/cm²，是 CQE（10 mA/cm²）的 2.8 倍。Zn‖MnO₂全电池在 0.1 A/g 下循环 500 次后，比容量仍保持 175.6 mAh/g，能量密度 216.8 Wh/kg、功率密度 131.4 W/kg，显著优于 CQE 系统。

实用性验证中，该电池可承载外部负载并稳定为电子手表供电超 17 小时，与光伏系统集成后，实现 “白天储能、夜间供电” 的闭环，兼顾结构承载与储能功能。

4. 关键结论

本研究通过电解质回收与界面工程协同策略，成功开发出高性能可回收水泥锌电池。回收工艺优化了水泥孔隙结构，原位形成的 CZOH 界面相抑制了副反应、均匀化离子传输，显著提升循环稳定性。

该电池兼具 2500 小时长循环寿命与良好机械承载能力，能量密度与功率密度表现突出，且可与光伏系统集成构建自供电生态。这项工作突破了建筑材料与储能器件的融合瓶颈，为低碳自供电建筑提供了兼具可持续性与实用性的新方案，推动结构储能系统的工程化应用。

参考文献：In Situ Dynamic Interphase-Supported Cement Zinc Batteries for Sustainable Power Supply Ecosystem