近日，东南大学材料科学与工程学院、重大基础设施工程材料全国重点实验室缪昌文院士、佘伟教授、章炜教授工程超材料团队在Cell旗舰子刊《Joule》（IF=36.7）在线发表了题为“Geopolymer-based electrolytes derived from industrial solid waste for structural energy storage”的研究成果，研究团队率先提出“粘弹性造孔-调孔-控孔”策略，实现了工业固废向高性能结构储能工程化超材料的变革，为未来绿色储能与低碳建筑一体化发展提供了新思路。
随着全球城市化与工业化进程加速，工业固废的大规模堆积已成为严峻的环境挑战，预计到2050年全球工业固废年产量将达30亿吨以上，其中粉煤灰和矿渣占比最大。这些固废不仅占用大量土地资源，还存在严重的土壤和地下水污染风险。通常意义上，固废可被转化为地质聚合物替代水泥用于建筑工程，然而硅铝酸盐作为结构储能电解质时，其有限的孔隙连通性导致离子传输效率低下，无法同时满足结构力学与高效储能的双重需求。另外，现有的发泡改性方法易产生大量孤立“死孔”，而且会显著降低材料的机械强度，微结构优化调控成为制约结构储能技术发展的核心瓶颈。
针对上述多目标协同优化设计难题，研究团队独辟蹊径，从材料流变特性调控本源出发，提出了一种“粘弹性造孔-调孔-控孔”超材料序构设计策略。在矿渣-粉煤灰基地质聚合物基体中引入丙烯酰胺单体并进行原位凝胶化，有效抑制了气泡的聚并与破裂，成功构筑了具有分级连通孔结构的地质聚合物-聚丙烯酰胺（Geo-PAAm）复合电解质。该电解质包含相互连通的微孔（0.01-0.2 μm）和大孔（0.2-2 μm）网络，其离子传输路径可类比于物理学中的 "最速降线"，大幅缩短了离子迁移距离，显著提升了孔隙连通性与离子传输效率。
地质聚合物合成及建筑储能一体化概念： a) 以工业固废为原料制备地质聚合物基电解质的工艺流程示意图 b) 大孔结构与分级多孔结构中的离子传输行为对比 c) 储能功能与建筑一体化的未来建筑系统概念示意图
得益于此独特的分级连通孔结构，Geo-PAAm 电解质展现出创纪录的优异综合性能。其离子电导率高达6.8 mS・cm-1，远优于传统硅酸盐材料电解质。采用该电解质组装的锌对称电池在0.5 mA・cm-2 电流密度下可稳定循环超过 4750 小时，表现出卓越的锌沉积/溶解可逆性。与Mn2+掺杂V2O5（MVO）正极组装的全电池在0.1 A・g-1电流密度下实现了397.3 mAh・g-1的高比容量，在5 A・g-1大电流密度下循环7000次后仍保留 154.2 mAh・g-1 的比容量。更重要的是，地聚物电解质同时具备数十兆帕的抗压强度，完全满足建筑结构材料的力学要求。基于该电解质制备的砖电池展现出极强的环境耐受性，在穿刺、燃烧甚至车辆碾压等极端条件下仍能正常工作。
砖块电池的电化学性能与极端环境下的可拓展性验证演示：a) 锌离子砖电池的结构示意图 b) 砖电池在不同电流密度下的倍率性能 c) 不同倍率下的恒流充放电曲线 d) 砖电池在1 A・g-1电流密度下的循环稳定性 e) 多块砖电池串联驱动电动汽车的演示实验 f) 验证砖电池阻燃特性的燃烧测试 g) 燃烧测试过程中实时采集的红外热成像图 h) 砖电池在车辆碾压下的稳定性演示
此外，研究团队基于分子动力学与有限元模拟研究构建了粘弹性调控分级孔结构形成时变模型。该“粘弹性孔隙调控”策略通过精准调控材料的流变特性，实现孔隙结构的精细化设计，解决传统地质聚合物电解质“力学强度-电化学性能”难以兼顾的核心矛盾。该研究不仅为工业固废的高值化利用开辟了新途径，更将结构储能材料的性能提升至新高度，为实现墙体、砖块等建筑基础设施向分布式储能单元的转化奠定了基础，有望推动规模化、可持续的储能一体化建筑发展。
值得一提的是，与麻省理工学院（MIT）近期报道的超细碳黑掺杂水泥基超级电容器技术（PNAS）路线不同，本研究采用分级孔隙序构的超材料设计思想，以粉煤灰、矿渣等大宗工业固废为核心原料，无需添加昂贵的纳米碳材料，通过地质聚合物体系的粘弹性调控实现了孔隙结构的精准构筑。该路线不仅原材料成本更低、生产过程更低碳，还耦合水系锌离子电池实现了本证安全，彻底规避了有机电解液体系的燃爆风险。同时，本研究实现了结构力学性能与电化学储能性能的协同优化，为结构储能材料突破 “性能-成本-规模化”桎梏提供了新范式，应用前景广阔。
东南大学为论文的第一完成单位和第一通讯单位，2022级博士徐刚与2023级硕士袁思涵为共同第一作者，佘伟教授，章炜教授为论文的通讯作者；青岛理工大学逄博教授、华润水泥唐振中研究员也作为共同通讯在理论模拟和工程化拓展方面做出重要贡献。该研究工作获国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、航空科学基金和东南大学青年学者交叉学科研究基金等项目资助。
