水泥灰掺入PVA/TEOS/HCl凝胶电解质对铝空气电池性能的影响研究

为解决水泥工业废弃物利用难题及提升铝空气电池性能，研究人员通过将水泥灰（1-2.5 g）掺入PVA/TEOS/HCl（PTH）凝胶电解质，发现PTH2.5CA样品导电性达2.78 mS/cm，容量0.354 mAh，功率密度6.48 mW/cm2 ，为工业废料高值化及可持续能源技术提供新思路。

　　

水泥工业每年产生大量废弃物，其中水泥灰的堆积不仅占用土地资源，还可能造成环境污染。与此同时，随着电动汽车产业的快速发展，传统锂离子电池面临热失控、寿命短等瓶颈问题。铝空气电池因其能量密度高（理论值达8100 Wh/kg）、原料丰富且安全性好，成为极具潜力的替代方案。然而，其核心组件——凝胶电解质的导电性能直接影响电池效率，如何通过低成本材料提升性能成为研究热点。

在这一背景下，来自印度尼西亚西苏门答腊省巴东市附近水泥厂的研究团队创新性地将水泥灰作为功能性添加剂，系统探究了其对PVA（聚乙烯醇）/TEOS（正硅酸乙酯）/HCl凝胶电解质性能的影响。研究人员通过调控水泥灰添加量（1-2.5 g），成功开发出导电性提升5倍的复合电解质，相关成果发表在《Materials Science for Energy Technologies》上。

研究采用四大关键技术：1）溶胶-凝胶法制备PTH复合膜；2）X射线衍射（XRD）和傅里叶红外光谱（FTIR）分析材料晶体结构与化学键合；3）电化学阻抗谱（EIS）测定离子电导率；4）恒流放电测试评估电池实际性能。所有铝阳极均经过NaOH脱脂及丙酮/乙醇清洗预处理。

【扫描电子显微镜分析】显示，随着水泥灰添加量增加（0→2.5 g），电解质表面粗糙度显著提升（图2）。PTH2.5CA样品呈现均匀的颗粒分散态，这种形貌变化为离子传输提供了更多通道。

【傅里叶红外分析】证实了材料中Si-O-Si键（793-1200 cm^-1
）和羟基（3000-3500 cm^-1
）的存在（图3）。水泥灰的加入使TEOS特征峰位移，表明其与PVA基质发生化学交联。

【X射线衍射分析】揭示晶体尺寸随添加剂增加呈非单调变化：PTH1.5CA达87.15 nm，而PTH2.5CA回落至97.1 nm（表1）。热重分析（TGA）显示，含2.5 g水泥灰的样品热稳定性最佳，初始分解温度达209.31°C（图4b）。

【X射线荧光测试】表明水泥灰主要含Ca（87.508%）、Fe（4.406%）等金属元素（表2），这些组分可能通过提供游离离子增强导电性。

【放电性能】测试显示，2.5 g水泥灰使电池在1 mA电流下的放电时间延长至1260秒（提升198%），起始电压1.37 V（图5e）。容量达0.354 mAh，较空白组增长366%。

【电化学阻抗谱】证实PTH2.5CA离子电导率最高（2.78 mS/cm），是纯PTH的5倍（图6a）。Nyquist曲线低频区波动减小，表明水泥灰改善了离子迁移稳定性。

【循环伏安法】显示PTH2CA氧化峰电位最高（±1.11 V），但PTH2.5CA具有最优功率输出（25.94 mW）（图6c），说明适量添加剂可平衡氧化动力学与能量转化效率。

该研究首次系统论证了水泥灰作为功能性添加剂在铝空气电池中的应用价值。通过多尺度表征，证实2.5 g添加量可使凝胶电解质获得2.78 mS/cm的离子电导率，同时赋予电池0.11813 mAh/cm²
的面容量密度和6.48 mW/cm²
的功率密度。这一成果不仅为水泥工业废弃物高值化利用开辟了新途径，更为开发低成本、高安全性的下一代储能系统提供了实验依据。值得注意的是，研究中发现的晶体尺寸与导电性非正相关现象（PTH2.5CA晶体尺寸小于PTH2CA但导电性更高），暗示除晶界效应外，水泥灰中金属元素的电荷传输机制可能起关键作用，这为后续材料设计提供了新的研究方向。