张宇教授、蒋金洋教授、李朋教授，AS观点：高储-多功能鲁棒性水泥基结构超级电容器

第一作者：刘庆洋

通讯作者：张宇，蒋金洋，李朋*

单位：山东科技大学，东南大学

诸如风能、太阳能和潮汐能等可再生能源具有显著的时间依赖性特征，这导致能源供给与消耗之间存在时间错配问题，因此迫切需要可大规模扩展的储能装置来加以解决。利用电化学电池进行大规模储能面临着电池金属矿物资源稀缺的挑战。碳水泥超级电容器（Carbon Cement Supercapacitors, CCS）具有充放电速度快、可应对瞬时高功率需求等优势。CCS 的电极可以通过在水泥和水的混合物中掺入少量炭黑来简便制备。得益于原材料的广泛可得性和分布性，这一方法为实现大规模、可行的储能方案提供了新的途径。更为重要的是，CCS 可直接制成结构构件，用于大型基础设施，从而避免额外占用有限空间。此外，将结构与储能功能相结合的理念，也为月球基地等外星基础设施的建设提供了创新性的解决思路。

近日，来自山东科技大学的张宇教授、李朋教授与东南大学的蒋金洋教授合作，在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Structural Cement-Based Supercapacitors with Multifunctional Robustness for Energy Storage”的文章。该研究提出了一种凝胶电解质与多孔水泥基电极的界面优化设计方法，并构建了物理强度与电化学性能协同共优的结构超级电容器设计策略。

界面优化的炭黑‑水凝胶一体化。在本研究中，疏水性CB颗粒通过两性活性剂（如十二烷基硫酸钠，SDS）进行修饰。同时，在CB表面进行PAM单体的原位聚合，使SDS作为桥梁连接CB与PAM。这显著提高了PAM水凝胶与CB之间的亲和力，并避免了界面处电解液耗尽区的形成。在电极中构建了CB‑水凝胶网络结构一体化，使盐饱和电极电阻从4.8 Ω·cm 降至3 Ω·cm。CCS 的电容在电流密度20 mA·cm⁻² 下提升156 %，从371 增至952 mF·cm⁻²。

热机械致密化实现了结构与电性能的协同作用。高温物理压实（90 °C，0.2-8 t）使体积减少了30.4 %，并使炭黑（CB）聚集体的平均颗粒间距减少了27.8%。同时，电极强度提高了9.68倍，从3.2 MPa 增加至 31 MPa，干燥后的碳水泥（CC）电极电阻降低了64 %。90 °C 的环境促进了水分迁移，避免了在高压实成型条件下孔道的闭合。这使得多孔电极具有大量相互连通的亚微米孔，并赋予其内部电解质较高的传输效率。

多尺度水凝胶电解质网络。在电极多孔结构内，通过在制备过程中与丙烯酰胺单体混合以及硬化后真空浸渍聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶，构建了从分子到微观的层次化电解质网络。该网络在未封装状态下经过60 °C烘箱干燥200分钟后仍能保持90 %的含水量，可抑制电解液在-20 °C 下冻结，在10000 次循环后仍保持超过83 %的电容，并使高电压工作窗口成为可能。

Structural Cement-Based Supercapacitors with Multifunctional Robustness for Energy Storage

张宇教授简介：毕业于东南大学材料科学与工程专业，现就职山东科技大学。长期致力于先进土木工程材料与储能器件研发，基于第一性原理/分子动力学探索原子尺度机理，开展多尺度结构控制，为先进材料设计提供理论支撑。主持国家级、省级科研项目6项，在Advanced Science、Cement and Concrete Research、Composites Part B: Engineering、中国科学：技术科学等国内外权威SCI期刊发表论文30余篇，授权国家专利10余件，成果获教育部科技进步一等奖。