活体微生物水泥超级电容器：可再激活的结构性能量存储新范式

研究人员针对传统水泥基电容器能量密度低、稳定性差的问题，创新性地将电活性微生物(EAMs)嵌入水泥基质，开发出具有178.7 Wh/kg能量密度和8.3 kW/kg功率密度的"活体"微生物水泥超级电容器(MCS)。该系统通过胞外电子转移(EET)机制实现法拉第电荷存储，在10,000次循环后仍保持85%容量，并首创微流控营养输送系统实现80%电容恢复，为建筑结构一体化储能提供了突破性解决方案。

　　

建筑材料与能源技术的跨界融合正在引发革命性变革。传统水泥作为全球使用量最大的人造材料，长期以来仅被视为惰性结构材料。随着可再生能源快速发展，电网级储能面临锂资源受限、成本高昂等挑战。近年虽有研究尝试赋予水泥储能功能，但基于静电双层电容(EDLC)的传统水泥超级电容器能量密度普遍低下。更关键的是，这些系统缺乏自我修复能力，性能衰减不可逆。与此同时，电活性微生物(EAMs)领域取得重要进展，这类微生物能通过独特的胞外电子转移(EET)机制与导电材料交换电子，但其在微生物燃料电池(MFCs)中的应用始终受限于功率密度低(mW-W/kg级)和间歇性输出等问题。如何突破材料与生物的技术壁垒，创造兼具高能量密度和自修复能力的储能系统，成为亟待解决的科学难题。

这项发表在《Cell Reports Physical Science》的研究开创性地将Shewanella oneidensis MR-1电活性微生物整合到水泥基质中，通过多尺度结构设计和生物-非生物界面调控，成功开发出性能卓越的微生物水泥超级电容器(MCS)。研究团队采用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和压汞孔隙测定法(MIP)系统表征材料特性，结合循环伏安法(CV)、电化学阻抗谱(EIS)和恒电流充放电(GCD)评估电化学性能，并创新性地引入嵌入式微流控网络实现微生物活性调控。

研究结果部分：

1. 1.

   微结构与组分分析：通过控制电活性微生物浓度梯度(0%-3%)，发现1.2%掺量最优。XRD显示微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)形成方解石、球霰石和文石三种晶型，28天抗压强度提升约15%。

   
2. 2.

   电化学性能：1.2%微生物掺量样品展现1266 F/g比电容和178.7 Wh/kg能量密度，较传统水泥电容器提升7倍。EIS证实电荷转移电阻(R_ct)降低60%，Warburg阻抗(W₀)改善显著。

   
3. 3.

   长期稳定性：10,000次循环后容量保持率85%，库伦效率72%。温度实验显示-15°C至80°C范围内仍保留64%-79%EET贡献，证实生物-非生物协同效应。

   
4. 4.

   复活机制：通过微流控营养输送系统，150天老化样品经新鲜菌株和营养液联合处理实现80%容量恢复，首次证明水泥基储能材料的可逆再生能力。

   

该研究突破了传统建筑材料与生物系统的界限，创建了具有代谢活性的"活体"储能材料新范式。通过精确调控微生物-水泥界面，实现了EDLC与EET协同的混合储能机制。特别值得注意的是，即使微生物失活后，其遗留的导电菌毛纳米线和细胞色素网络仍能维持电荷传输，这种独特的"生物遗迹"效应为长效储能提供了新思路。嵌入式微流控复活策略更开创了基础设施自维护的先河，使建筑结构可能具备"新陈代谢"功能。从应用角度看，这项技术有望变革建筑能源系统，使墙体、地基等结构元件成为分布式储能节点，对实现能源自主型城市具有战略意义。未来研究需进一步优化微生物在强碱性环境中的长期存活率，并探索更大尺度的工程化应用。