《Buildings》：Fly Ash-Based Structural Energy Storage for Sustainable and Resilient Buildings: Materials, Durability and Life-Cycle Perspectives
煤基粉煤灰（Coal Fly Ash）已成为开发多功能建筑材料的有前景资源，这些材料兼具集成储能能力。本结构化叙述综述考察了含粉煤灰的胶凝和地聚物体系、粉煤灰源电活性材料以及空心微珠（cenosphere）支撑的相变复合材料，重点关注其储能机制、力学性能、耐久性和建筑应用潜力。通过区分电极级测量与组装器件性能、材料尺度证据与建筑级功能性，本综述识别了将电化学储能与热储能集成到建筑材料中的机会与局限。已有研究报告了实验室尺度的储电功能性和可测量的热调节效应，而长期结构可靠性、功能保持、安全性和建筑尺度运行仍待充分验证。一个示例性的固定输入筛选在等质量水泥替代假设下比较了含粉煤灰案例与无粉煤灰参照。在指定材料替代系数下，用16 kg粉煤灰替代16 kg普通硅酸盐水泥（OPC）使A0材料碳替代物降低14.528 kg CO2-eq（23.38%）；这一条件性结果并未建立等效强度、储能服务或使用寿命。因此，本综述认为，原料表征、力学-储能耦合耐久性、器件封装以及服务特定评估是促进粉煤灰基储能概念从材料向建筑构件转化的优先事项。
Review Design and Literature Identification
初始检索于2026年4月在Web of Science核心合集和Google Scholar进行，随后于2026年10月通过Crossref、OpenAlex、出版社网页和机构库进行针对性文献更新和来源核查，未设定最早发表年份限制。检索策略将（fly ash OR coal fly ash OR cenosphere）与结构超级电容器/电化学储能/地聚物、相变材料/热能存储、耐久性/开裂/水分、生命周期评价/隐含碳/建筑集成等组合，支持结构化叙述综述而非穷尽性系统综述。标题和摘要筛选要求明确的粉煤灰参与、定义明确的材料角色、测量的储能或支持结构功能以及足够的测试信息。纳入的初级文章和补充文件被检查粉煤灰含量或特征、活性相、电池和电解质几何、电压和电流条件、归一化基准、强度年龄、循环协议、相变材料负载、热条件和证据尺度。非粉煤灰胶凝和碳-水泥系统仅作为带标签的对照保留。选择考虑了组成、测试条件和可用证据，电极、组装器件、力学和热复合体结果被分离，不兼容的测试几何或分母不合并。未报告的运行条件不被推断。实验测量、提出机制、模型和建筑演示被区分。NV表示参数无法从可获取来源独立验证，NR表示参数确认未在审查全文或补充信息中报告。本综述聚焦粉煤灰在电气和热储能中保留或转化角色，以及建立建筑级主张所需的证据强度。
2. Fly Ash as a Functional Precursor for Energy Storage
2.1 Chemical Composition and Phase Characteristics
粉煤灰组成随煤源、燃烧和处理而变化。对储能设计，活性铝硅玻璃（aluminosilicate glass）、残碳、含铁相、细度、空心微珠和可比表面积比传统钙基分类更重要。在水泥中，粉煤灰贡献火山灰反应和微填充；碱激发（alkali activation）形成地聚物网络，影响孔隙和离子传输。同一粉煤灰可供给电活性衍生品，其贡献取决于所选加工和器件架构。残碳在水泥中可损害和易性和外加剂需求，但在受控条件下可贡献导电网络，其效益取决于分布和连通性。含铁相可贡献组成依赖的氧化还原或极化响应。细度、玻璃含量和激发影响粘结剂孔隙，但孔隙细化本身不量化器件离子可及性；因果储能关系需要匹配材料、养护、水分和电化学几何。前驱体选择应联合考虑相组成、碳、粒径和可比孔隙，以及电解质和导电网络连续性。
2.2 Particle Morphology and Cenosphere Characteristics
颗粒形貌、堆积、连通孔隙、润湿性和添加的导电相影响传输。球形颗粒本身不证明电活性面积或渗流，主导离子取决于电解质。空心微珠是低密度、含内部空腔、陶瓷样热稳定性的中空铝硅微球，适合轻质多功能复合材料。在结构储能系统中，其主要角色不是提供高内在电化学活性，而是调节发生电化学和热储能过程的物理框架，壳-腔结构增加多尺度孔隙网络、内部自由体积、热缓冲和富界面构型。载体选择必须考虑回收、壳体完整性和受控混合、养护和填充；形貌本身不保证更低成本或改善传输。
2.3 Activation Pathways
粉煤灰可激活进入基体或电活性衍生物。碱激发产生具有可调孔隙的地聚物网络，水玻璃和NaOH激发产生不同凝胶结构和传输性质。水泥-粉煤灰混合物保持常规加工兼容性，同时改变水化和孔隙。其他路线保留粉煤灰、提取原料或去除灰模板以产生活性相。合金基高温热能存储和空心微珠支撑有机相变材料具有不同服务温度，不能单独建立组合建筑构件。这些路线跨越矿物基体、地聚物电解质、衍生电极和热复合体，每条路线必须评估其实际粉煤灰角色和测量服务。
2.4 Functional Implications for Structural Energy Storage
粉煤灰工程价值取决于证明的材料和器件功能，建筑兼容性、耐久性和生命周期效益取决于配方和服务。
3. Fly Ash-Based Energy-Storage Materials and Device Architectures
综述将四种路线分类：粉煤灰-水泥复合材料、地聚物器件、粉煤灰源电极和空心微珠/相变材料热复合体，粉煤灰分别作为矿物基体、激发框架、电活性前驱体或相变材料载体。
3.1 Fly Ash–Cement Structural Energy-Storage Composites
粉煤灰-水泥储能已在实验室尺度证明，粉煤灰形成离子基体的一部分，活性炭/锌供给电极。在聚（3,4-乙撑二氧噻吩）（PEDOT）包覆GeoAsh中，灰地聚物不同于活性聚合物，两者均未显示未处理粉煤灰本身的内在储能。这些复合材料需要电学性能与力学完整性和耐久性。粉煤灰对堆积和孔隙的影响随掺量、养护和导电添加剂变化，单独的粘结剂强度改善不建立储能保持。非粉煤灰水泥基准采用30 mm水泥/砂立方体养护28天，约20%孔隙率和4.5 MPa基体抗压强度，活性炭电极约2 mm厚但面积质量负荷未直接测量，循环伏安法（Cyclic Voltammetry, CV）使用?0.5至0.5 V、0.02–0.10 V s
?1，电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS）体积归一化使用孔隙液体而非封装器件体积，这些区别阻止将其数值电极或孔隙体积结果导入结构构件排序。
3.2 Geopolymer-Based Energy-Storage Systems
地聚物提供可调铝硅网络和孔隙，用于结构或准固态电解质应用。蒙脱石膜基准为非粉煤灰对照，其MnO2/CNT电极在1 mA cm
?2下提供3310 mF cm
?2，组装器件在15 MPa和65.43%保持下提供2094.4 mF cm
?2。粉煤灰-矿渣电解质研究区分改性和电极角色，1.0 wt% PEO下离子电导率28.7 mS cm
?1，对照13.7 mS cm
?1；Cu-Co氧化物/rGO/镍泡沫电极在1 mA cm
?2下1003.14 mF cm
?2，独立组装非对称器件在0.5 mA cm
?2下113.59 mF cm
?2和40.39 μWh cm
?2，2000次恒电流充放电（Galvanostatic Charge-Discharge, GCD）后90.3%保持。地聚物可调性仍是设计机会，印刷或预制器件仍需耦合力学和环境认证。
3.3 Fly Ash-Derived Electroactive Materials
粉煤灰可提供保留矿物相、提取前驱体或牺牲模板用于电活性电极，性能属于所得电极架构而非灰来源。沸石源电极、保留聚苯胺/粉煤灰复合材料和碳微管/粉煤灰/水泥电极代表不同材料角色和测试条件。三电极测试报告3 M KOH中1 A g
?1下669 F g
?1，独立对称器件87 Wh kg
?1。CFA-MDC三电极306.59 F g
?1，CFA-FumMOF//CFA-MDC器件在0.5 A g
?1下4.0 mAh g
?1，在1 A g
?1下2.48 Wh kg
?1。表3区分保留灰复合材料、提取原料电极和灰模板路线。参考22报告电极1419 F g
?1，而其混合器件26.6 Wh kg
?1和10000循环后95.7%保持。尽管前驱体低成本，加工负担必须清单化，废掩蔽碳化700°C和KOH活化900°C不提供每可用器件测量工艺能量。
3.4 Fly Ash- and Cenosphere-Based Thermal Energy-Storage Composites
空心微珠相变材料可缓冲室内温度，不同于高温Al-12Si/改性粉煤灰合金路线。表面工程空心微珠糊剂提供归一化重要性示例，胶囊含约28.0±1.0 wt% PCM（三聚氰胺-甲醛密封）或27.0±1.0 wt%（二氧化硅密封），糊剂级潜热分别为7.2±0.2和6.7±0.4 J g
?1，15–50°C 50次循环后密封颗粒质量变化<2%。同一研究报告PCM-空心微珠糊剂比素水化糊剂导热系数低约30%，20 cm墙体模型使用DTU附近7月天气和22°C室内温度，内壁热流需求比素糊剂低约30%，比未处理空心微珠混合物高约6%，模拟需求转移最多3 h，这些模型特定比较不是测量年度整栋建筑暖通空调节能。分离粉煤灰泡沫混凝土研究说明保持荷载分母的重要性，其DSC 10°C min
?1下44.73 J g
?1熔融和41.76 J g
?1凝固，28天抗压强度4.5 MPa（无PCM为13 MPa），导热系数低55.3%。
4. Charge Storage Behavior and Structure–Property Relationships
4.1 Heterogeneous Charge Storage in Fly Ash-Based Systems
导电碳/电解质界面的电荷可存储在双电层（Electrical Double Layer, EDL），活性氧化物和聚合物可支持氧化还原储能，两种机制均非粉煤灰普遍内在，单独界面极化不证明可回收容量。循环伏安峰、曲线形状或等效电路不能唯一建立机制，需要相特定对照和电化学/化学证据。
4.2 Pore Structure, Ion Accessibility, and Interfacial Density
可及孔隙网络取决于连通性、曲折度、润湿性、保留液体和电子渗流，而更高孔隙率可能降低承重能力，致密化可改善力学性能但限制可及路径，过量添加导电填料可能改变和易性、界面和环境负担。可用研究未建立粉煤灰系统通用定量孔隙-传输-储能关系，参考31报告增加粉煤灰替代改善电化学响应但降低抗压强度，FA40给出831 mF cm
?2和15 MPa。
4.3 Building-Relevant Electrochemical Metrics, Conductive Networks, and Interfacial Effects
电化学比较需要电池类型、电流或扫描速率、电压限制、放电处理以及质量、面积或体积分母，三电极工作电极值不建立组装两电极器件结果。自放电应从开路电压衰减评估，漏电流单独报告，可用电压窗必须验证包括水分解和其他寄生反应。串联连接匹配电池提高封装电压但降低等效电容，电容或漏电流差异可产生不相等电池电压，需要均衡、监测、绝缘和可靠互连。库仑效率测量规定循环条件下电荷回收，与保持电容或能量不同。
4.4 Mechanical–Thermal–Electrochemical Trade-Offs for Building Integration
标记为结构的材料必须满足相关荷载路径和可服务性要求，单独抗压强度不建立弯曲或拉伸能力、断裂能、钢筋粘结、收缩徐变或循环荷载阻力。空心微珠-砂浆研究报告一起压缩和弯曲，28天报告20%替代混合物36.5和6.2 MPa，但仍不建立增强构件性能。参考49改变密封界面使糊剂压缩强度增加>50%，而报告界面拉伸值来自原子模拟而非实验结构拉伸强度。耦合评估应测量加载期间和之后剩余承重能力和储能响应，需要试样几何、加载速率、测试年龄、水分条件、钢筋、裂缝宽度和徐变收缩历史以及器件电流/电压限制的匹配对照设计。
5. Durability and Long-Term Serviceability of Building-Integrated Thermal–Electrical Storage Materials
矩阵耐久性、电化学器件老化和相变材料稳定性是不同方面，暴露于水分、碳化（carbonation）、氯化物（chloride）、冻结、开裂或热量需要配对结构和储能测量。综述提出机制和配对验证测试而非实验老化曲线。
5.1 Moisture Effects, Ionic Transport, and Thermal-Storage Stability
干燥可提高电解质电阻，过多水分可使接触不稳定或促进漏液和寄生反应，水分管理因此至关重要。密封空心微珠50次循环损失<2%质量，但不建立潜热保持。资格认证应结合控湿电化学阻抗谱、干燥-再湿循环、吸收和暴露后漏液以及热循环测试。
5.2 Carbonation, Shrinkage, Pore Evolution, and Storage Retention
粘结剂反应和孔隙演化可影响离子传输，但粘结剂参考不建立全器件储能寿命，长期测试应联合跟踪力学强度、电化学保持、潜热、导热系数、孔隙演化和尺寸变化。十年粉煤灰地聚物结果显示基体演化，非十年器件保持。
5.3 Environmental and Mechanical Degradation
裂缝和环境暴露可破坏渗流附近导电接触并削弱相变材料或基体界面，需要耦合功能测量。冻融和裂缝暴露研究提供测试设计参考，但剩余强度不能替代电容或可用能量保持，矿物基体耐热性不建立全器件消防安全。
5.4 Durability Assessment
构件级协议应将每个常规暴露测试与储能器件功能暴露前后测量配对，温度、湿度、荷电状态、裂缝宽度、几何和老化历史必须声明。
5.5 Electrical Safety and Reinforcement Corrosion
电气资格需要湿条件下绝缘、漏液和短路测试、集流体腐蚀评估、密封穿透和安全断开。碳化可降低孔隙溶液碱度并破坏钢钝化，而氯化物侵入可引起局部去钝化点蚀，储存电解质和电气连接引入需要直接腐蚀测试的其他条件。
6. Life-Cycle Assessment Considerations and Illustrative Material-Input Screening
环境性能取决于全材料和工艺投入、交付服务和生命周期，粉煤灰节约可能被添加剂、激发剂、集流体、密封或替换抵消。
6.1 Embodied Carbon, Resource Utilization, and Building-Level Life-Cycle Value
隐含碳（embodied carbon）随运行建筑能源下降而更重要，名义1 m
2面板是几何单位，非等效功能单位，比较必须匹配交付能量、可用电压或热范围、结构服务、寿命和替换率。
6.2 Cost Perspective
单独低灰价不证明低集成成本，集流体、增强、密封、控制、安装、检查、检验和替换贡献项目费用。热储能成本应归一化到意图温度窗口内可用热，电存储归一化到等效服务寿命交付能量。
6.3.1 Electrochemical Characterization and Reporting Requirements
面积/体积电容需要声明分母。循环伏安法通过积分电流-电压曲线确定电容，恒电流充放电提供电容、等效串联电阻（Equivalent Series Resistance, ESR）和速率能力，电化学阻抗谱探测离子传输和界面，电阻取决于水分、孔隙和导电连续性。
6.3.2 Material-Inventory-Based Carbon and Cost Screening
定量计算限于名义1 m
2 A0-A输入替代，非匹配服务生命周期评价。A0用16 kg额外OPC替代粉煤灰，所有其他列示投入固定。粉煤灰被赋予低负担材料替代物，无额外避免生产信用，水泥替代差异仅通过A0与A计数。炭黑2.62 kg CO
2 kg
?1值是IPCC炉黑工艺CO
2系数，非完整产品碳足迹。A0-A差异由分配的OPC和灰系数驱动，±20%单因素扰动描述代数敏感性，非经验不确定性区间。
6.3.3 Illustrative A0–A Substitution Results
A含16 kg OPC、16 kg粉煤灰、4 kg砂、2 kg炭黑、0.8 kg碳纤维、2 kg PVA、2 kg KOH和0.100 kg镍泡沫，A0用16 kg额外OPC替代粉煤灰，两者均列42.9 kg。替代使材料碳替代物降低14.528 kg CO
2-eq（相对A0 23.38%），假设材料成本降低4.000 CNY（0.73%），隐含能替代物降低86.400 MJ（11.12%），这些是规定输入因素差异，非测量功能等效或寿命碳节约。
7. Engineering Deployment in Sustainable and Energy-Resilient Buildings
墙体、屋顶、楼板、立面和基础设施是潜在应用，已审查证据主要来自材料测试、实验室器件、腔体和模型，非占用建筑演示。
7.1 Building Envelope and Prefabricated Component Integration
GeoAsh使用10×5×2.5 mm电化学试样和独立10 mm压缩立方体，三个串联电池为手表供电45分钟以上，五个太阳充电电池达到4.9 V并驱动LED，报告129 μWh cm
?2算术上对应1.29 Wh m
?2，非演示可用能量。楼板和楼板需要服役荷载下裂缝后储能测试，传感器应用10 mW负载24 h需0.24 Wh，此算术是设计示例非测量桥梁传感器需求。预制构件实现受控养护和连接，但资格必须从材料测试通过封装电池和耦合构件暴露推进到监测现场服务。
7.2 Infrastructure-Integrated Multifunctional Systems
道路、桥梁和隧道储能在加载、暴露、连接、修理和交付能量性能演示之前仍是前瞻性，应用基准应特定服务：封装电池和传统超级电容器用于传感器自主、漏液和峰值功率，相变材料板和普通热质量材料用于匹配热容量、温度范围、循环和暖通空调效应。碳-水泥研究呈现扩展估计，约45 m
3材料可对应约10 kWh，是基于报告碳-水泥系统的推测，非全尺度运行演示，非粉煤灰结果。
7.3 Hybrid Thermal–Electrical Energy-Management Systems
热-电集成仍是前瞻性，混合服务需要兼容热/电设计、绝缘、水分管理和验证控制策略。部署还需要可再现原料规格：活性玻璃、残碳、粒径、污染物含量和空心微珠产率。活化后循环和损伤下浸出性必须测试。连接、电极隔离、封装、可更换模块、检查通道、水分管理、集流体腐蚀、传感器/控制功率和终生命离都属于构件设计和清单，嵌入长寿命结构的储能可能使修理复杂化。
8. Research Gaps and Future Perspectives
研究优先事项：原料表征、相特定归因、归一化器件测试、耦合暴露/结构保持和验证构件清单。热储能资格需要声明相变材料分数、温度范围、潜热、导热系数、漏液和循环后保持。结构电化学资格需要电池几何、电压/电流、自放电和效率，外加弯曲、开裂、徐变和暴露后电容或电化学阻抗谱。A0-A是假设水泥替代计算，B使用未验证4 kg活性炭模块，未来比较需要协调因素、生产和运输清单、验证构件性能、寿命和终生命据。
9. Conclusions
粉煤灰提供不同路径：实验室粉煤灰-水泥和地聚物器件、含添加活性相的衍生电极和承载相变材料的空心微珠，非粉煤灰水泥、矿渣、偏高岭土和碳-水泥结果保持为对照。空心微珠/相变材料研究提供材料和墙体模型热证据，但这些不建立年度暖通空调节能或不能将高温热能存储结果转移到室内服务。电极/器件能量、粘结剂强度和循环保持不单独认证结构储能。在说明性A0-A替代内，用粉煤灰替代16 kg OPC并保持所有其他投入不变，在分配系数下产生14.528 kg CO
2-eq（23.38%）材料碳替代物差异，它不建立等效强度、能量服务或寿命，或验证的完全生命周期节约。本综述主要贡献是区分粉煤灰路径和测试其从材料向建筑转化的证据所需，实际研究优先事项是连接可再现粉煤灰原料与封装器件和热适当相变材料组件，然后在构件和建筑尺度验证耦合结构、储能、安全和环境性能。
