在双碳战略及低碳能源转型政策的引导下，建筑业作为高排放、高能耗行业面临着迫切的转型压力。兼具承重与储能功能的多功能建筑构件为建筑现场储能提供了颇有前景的解决方案。工业固废材料因其低碳排放和巨大堆存量，在绿色建筑材料研究中受到广泛关注。
近日，东北大学孙文静教授团队在中国工程院Engineering集群分刊ENGINEERING Structure and Civil Engineering上发表了题为“Effect mechanisms of activators on the electrolyte performance of solid waste structural supercapacitors”的研究论文。研究团队以钢渣（SS）和粒化高炉矿渣（GGBFS）为原料制备了固废电解质（SWE），并与石墨烯电极（G电极）组装，构建了兼具承重与储能功能的固废结构超级电容器（SWSS）。
固废电解质面临离子电导率和抗压强度的性能瓶颈
前期研究表明，活化剂可促进胶凝材料的水合反应，改善孔结构，从而提高抗压强度；电解质的内部孔结构对离子电导率和抗压强度均有显著影响。研究团队利用SS和GGBFS制备了面向绿色建筑构件的SWE。与传统水泥电解质相比，SWE的抗压强度可能低于部分水泥电解质体系，但其离子传输性能相对较高。如何在保持较高离子传输性能的同时实现抗压强度的有效提升，仍是SWE研究面临的重要挑战。
图1 样品制备流程及原材料的物理性能：（a）SWE的制备；（b）G电极的制备；（c）SWSS的组装及样品的制备/测试；（d）SS和GGBFS的粒径分布；（e）SS和GGBFS的X射线衍射（XRD）结果。
复合活化剂助力电解质综合性能最优
研究团队以SS和GGBFS为原料，掺入不同类型的盐活化剂（4% Na/K2SiO3、Na/K2SO4）、碱活化剂（4% Na/KOH）以及复合活化剂（2% + 2%），以阐明活化剂对电解质性能的影响。通过测试离子电导率和抗压强度，并利用热重分析、扫描电子显微镜和压汞法对微观结构进行表征，研究团队比较了三种类型活化剂的综合效果。
结果表明，采用复合活化剂（KOH和K2SO4）制备的电解质综合性能最优，离子电导率达到19.89 mS·cm-1，抗压强度为16.15 MPa。所组装的SWSS在0.2 mA·cm-2电流密度下的面电容为78.73 mF·cm-2。在实际电路测试中，6个SWSS串联成功为9-12 V LED面板供电约120秒，充分展现出其集成到储能建筑墙体构件中的良好可行性。
不同活化剂对孔隙率与孔径分布的协同调控
不同类型活化剂（盐类、碱类及复合类）均能增强水化反应并改善孔结构，从而实现SWE离子电导率和抗压强度的协同提升。压汞法分析表明，Na+基样品孔隙集中在20-50 nm范围，而K+基样品孔隙主要落在50-200 nm范围内。其中，50-200 nm孔隙提供了有效的离子传输通道并增强离子电导率，而>200 nm孔隙削弱SWE的结构致密性并降低抗压强度。由此可知，钾基活化剂比钠基活化剂提供更高的离子电导率；盐类活化剂比碱类活化剂获得更高的抗压强度；复合活化剂则表现出最优的综合性能。
图2. 采用不同SWE组装的SWSS：（a）SWSS-O（无活化剂）的CV曲线；（b）SWSS-Na（含钠基活化剂）的CV曲线；（c）SWSS-K（含钾基活化剂）的CV曲线；（d）奈奎斯特图；（e）28 d时的离子电导率；（f）7 d至28 d的离子电导率；（g）SWSS-Na的GCD曲线；（h）SWSS-K的GCD曲线；（i）面积电容。
孔隙率和孔径分布协同影响SWE综合性能
研究表明，孔隙率和孔径分布协同影响SWE的离子电导率和抗压强度。孔隙率决定离子可及体积总量和微观结构致密性，而孔径分布则决定了离子传输通道的尺寸和效率，并影响微观结构均匀性。因此，降低孔隙率和优化孔径分布对于同时提高SWE的电导率和强度至关重要。
图3. SWSS储能在实际电路中的性能测试。
综上所述，该研究变废为宝，通过掺入不同活化剂促进水化反应并改善孔结构，制备了SWE，并与G电极组装，构建了兼具承重与储能功能的SWSS。该研究为SWE的优化以及SWSS的设计与应用提供了理论指导，并为后续面向工程的储能建筑墙体构件研究奠定了基础。（来源：EngineeringJournals微信公众号）
相关论文信息：https://journal.hep.com.cn/fsce/EN/10.1007/s11709-026-1325-5
