水泥基超级电容器电容与库仑效率调控机制及结构优化研究

【编辑推荐】针对建筑储能系统中电荷存储容量与转移效率的优化难题，研究人员通过调控水泥水化程度、电极体积参数及炭黑类型，揭示了碳水泥电极(CCS)的电容(Capacitance)与库仑效率(Coulombic efficiency)的独立调控机制。发现电极面积扩大可同步提升二者性能，而厚度仅影响电容，为基础设施级超级电容器的独立设计提供了新思路。

　　

随着可再生能源供需时空错配问题的加剧，大规模储能技术成为全球性挑战。传统电池受限于矿物原料稀缺性，而乌尔姆团队提出的碳水泥电极(CCS)超级电容器因其原料廉价（水泥、水、炭黑）、可规模化制备及结构-储能一体化特性，成为建筑储能系统的新选择。然而，现有技术存在电极强度与电化学性能的矛盾：高水灰比(1.4)虽提升电荷存储位点但导致力学性能骤降，且3 mm超薄电极难以满足基础设施体积需求。此外，水泥水化过程对电极性能的时效影响、炭黑类型选择与电极参数优化等关键问题尚未系统研究。

山东某研究团队通过多尺度实验，首次阐明了碳水泥超级电容器的性能演化机制。采用模拟孔隙溶液(pH=13.5)预处理炭黑，结合电化学测试与微观表征，发现炭黑骨架在强碱环境中仅发生C-H/O-H/C-O表面官能化，而水泥水化物对炭黑颗粒的包裹是电阻率上升的主因。通过调控电极面积(从9 cm²增至64 cm²)与厚度(1-10 mm)，证实面积扩大可使电容提升300%同时库仑效率提高15%，而厚度仅线性影响电容。研究首次提出炭黑暴露表面积与电极电阻分别独立调控电容和库仑效率，为建筑储能元件的性能定制提供了理论依据。

主要技术方法

1. 采用两种炭黑（Ketjen ECP600 JD比表面积1342.41 m²/g，染料炭黑26 m²/g）制备电极；
2. 通过模拟水泥孔隙溶液预处理研究炭黑化学稳定性；
3. 电化学阻抗谱(EIS)与循环伏安法(CV)测试电极性能；
4. 微观结构表征分析C-S-H凝胶包裹效应。

研究结果

1. 炭黑在碱性环境中的演化：FTIR显示炭黑仅发生表面官能化，XRD证实其晶体结构稳定，但C-S-H凝胶包裹导致电极电阻率随养护龄期增加40倍。
2. 电容与库仑效率的调控规律：使用高比表面积炭黑的电极初始电容达1.74 F/cm²，但28天后因包裹效应下降74%；库仑效率对电极电阻敏感，与电容呈弱相关性(r²<0.3)。
3. 电极几何参数影响：面积扩大7倍使电容提升300%，库仑效率同步提高15%；而厚度增至10 mm仅使电容线性增长，效率无显著变化。

结论与意义
该研究揭示了水泥基超级电容器性能的"双通道调控"机制：炭黑暴露表面积主导电容，而电极电阻决定库仑效率。提出通过电极几何设计（优先扩大面积）与炭黑类型优选（高比表面积抗包裹）可突破性能瓶颈。尤其发现电极面积扩大能突破传统"性能-体积"权衡，为兆瓦级建筑储能系统提供了可行路径。论文发表于《Journal of Energy Storage》，获国家自然科学基金等多项资助，成果对零能耗建筑、隧道应急供电等基础设施储能具有重要应用价值。