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可充电水泥基固态镍铁NEC锂电池，用于自供电建筑的能源储存
发布时间：2026-08-10 20:22:05 点击： 次
建筑行业对可持续高效储能解决方案的需求激增，推动了创新材料和技术的探索。本研究介绍了可充电水泥基固态镍铁电池的开发与特性，这些电池设计用于自供电建筑的能源储存。基于水泥的电解液系统结合了水泥、硅砂、离子交换树脂和碱性溶液，优化了高离子导电性。镍和铁电极通过电镀在碳纤维网和镍泡沫基底上制备。进行了广泛的电化学测试，包括循环伏安法、电化学阻抗光谱和电放电评估，以及扫描电子显微镜和能量色散X射线光谱分析，以评估电池性能。结果表明，镍泡沫电极在放电能力、效率和能量密度方面显著优于碳纤维网电极。值得注意的是，水泥电池的最大平均能量密度超过11 Wh/m。2超过30个周期。研究结论是，镍泡沫基板坚固且相互关联的结构增强了电化学活性和离子传输，使其成为水泥电池的优越电极材料。本研究为将水泥电池整合进建筑自给自足能源系统提供了有前景的见解，凸显了在储能领域的实际应用潜力。
简介
水泥基材料因其耐用性、适应性和成本效益而在建筑中广受推崇，在各种结构应用中发挥着关键作用[10,11]。水泥本身具有孔隙度和碱性特性，使其成为固体电解质的理想基质，增强了离子导电性，并有利于碱性电池的化学反应[[12]， [13]， [14]]。水泥这一独特特性使其非常适合适应电池技术[15,16]。
早期曾尝试将混凝土转化为电池，用于收集和储存可再生能源，并逐步提升其电力性能。Burstein和Speckert[17]的开创性研究探讨了水泥电池作为电化学动力源的可行性。他们的系统使用硬化水泥膏作为电解液，阳极为圆柱铝，阴极为圆柱铁。研究显示该电池能够输出100 nW/cm的工作功率2在250 nA/cm的低电流密度下2，凸显了具有显著实际应用潜力的前瞻性电池设计。同样，孟和钟[18]探讨了水泥基复合电池的可行性。他们发现水泥浆是可行的基质，孔隙溶液作为电解质。研究展示了锌颗粒作为阳极，二氧化锰颗粒作为阴极，碳黑作为导电添加剂，均在这两个区域中被纳入。他们开发的电池实现了开路电压最高0.72伏，电流120微安，功率输出1.4微瓦/厘米2.
优化可充电水泥电池的设计对于其在建筑结构中的广泛应用至关重要。随后，研究人员在材料和比例方面逐步提升了水泥电池的性能。Byrne等人[19]通过测试各种电解质添加剂、电极材料和配置，优化了水泥电池。他们发现，高水/水泥比、碳黑、增塑剂、盐和硅气显著改善了电压、电流和电池寿命。Chen 等人[20]研究了基于土高分子的固态储能电池。他们合成的地高分子通过10 M KOH的颗粒化炉渣中的碱活化，表现出高离子导电性、快速硬化和类似水泥的机械性能。电池实现了0.97 V的稳定电压和507 μW/cm的最大功率密度2在0.13 mA/cm2.此外，Magotra 等人[21]利用稻壳灰（RHA）制造白水泥砖燃料电池（WC-BFC）。他们的WC-BFC展现了显著的功率密度，峰值达到2008.93 mW/cm。2RHA浓度为12%。Arjunet 等人[22]的最新研究深入探讨了通过掺入离子导电粒子和电子导电粒子来增强水泥电池。他们的研究重点是增强水泥基电解质的离子导电性，以提升电气性能。Rampradheep等人[23]开发了基于水泥的电池，利用锌粉、二氧化锰、活性炭和自固化剂，以增强离子交换和发电能力。孔隙水作为电解质，保持湿度并提高离子迁移率。研究确认这些电池是标准电池的经济替代方案。
在应用研究中，Holmes等人[24]、Byrne等人[25,26]探索了基于水泥的电池用于钢筋混凝土阴极保护。他们的实验表明，由波特兰水泥、水、碳黑、盐溶液和金属阳极（镁、铝或锌）制成的电池，能够有效极化腐蚀电流。Nadzri等人[27]研究了有机富锌涂料作为阴极保护系统中水泥电池的阳极。研究结果显示，单层富锌油漆产生了最高峰值电流6.70毫安，并且在28天内表现出优越的耐久性，相较于两层和三层富锌涂层。约瑟夫的研究[28]研究了钢筋混凝土结构中用于供电阴极保护系统的水泥电池。通过在电池样品中将电极板作为阴极和阳极，研究评估了电解质特性、内阻和质量损失。尽管电流密度值不同，这些电池显示出集成到压流阴极保护系统的潜力。此外，Hire 等人[29]研究了钢筋混凝土电池为无线传感器网络供电以监测腐蚀。他们证明，即使没有主动阴极保护，1–12.4 μW的功率也足以实现每月数据传输，且结构影响极小。然而，水泥电池的性能仍然有限[30]。
此前的研究仅限于不可充电的水泥基电池（一次电池）。基于这一研究，张和唐[31]开发了一种可充电的水泥基电池，阳极为铁和锌，阴极为镍基氧化物。他们将短碳纤维应用于水泥基电解质中，以增强其导电性。他们的实验包括测试由粉末混合和金属涂层技术产生的各种电池组合，最终确定通过金属涂层生产的镍铁电池性能更优。这款基于水泥的电池平均能量密度为7 Wh/cm。2经过六个充放电循环。此外，Yin等人[32]在可充电水泥电池开发方面取得了显著进展。结果显示，这些电池具有有前景的特性，如水泥基电解质的高离子导电性以及100个周期内的稳定充放电行为。
如图1所示，本文提出了一种创新的水泥电池理念，通过整合太阳能和风能等清洁能源实现自给自足和可持续发展的愿景。为此，研究配方了一种具有高离子导电性的水泥基电解质。本文将电镀技术应用于碳纤维网和金属泡沫，以制造创新的镍铁电极。本研究还进行了SEM-EDS显微分析、电化学表征以及严格的电放电测试。本研究的总体目标是仔细评估和提升可充电水泥电池的性能，最终追求最佳的效率和功能性。
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