全球城市化进程以及气候目标要求大规模部署可再生能源，然而间歇性的能源生成需要同样大规模的储能基础设施，而现有技术无法在城市或区域尺度上安全且经济地满足这一需求[[1], [2], [3], [4], [5]]。目前的电化学储能系统，如锂离子电池、钠硫电池和流动电池[[6], [7], [8]]，在城市环境中的应用面临诸多障碍，包括热失控带来的安全风险、巨大的空间需求，以及在建筑和市政框架内的复杂整合问题[9,10]。建筑物和基础设施构成了地球上最大的建筑体量，其中含有大量结构上多余的混凝土（靠近中性轴的部分、非承重墙、立面等），这些材料都可以作为分布式储能载体[11,12]。虽然与专用电池相比，集成在结构中的储能系统的能量密度较低，但通过在如此大的体积上提升中等性能，就可以在不占用额外空间的情况下获得相当的总容量。意识到这一潜力，研究人员开始开发水泥基超级电容器[13,14]和水泥基电池[15,16]，将储能功能与结构功能相结合，如图1a所示。
在现有的水泥基储能装置中，水泥基材料主要被制成碳水泥电极或水泥基电解质[17]，而本研究更侧重于后者。为提高水泥基隔膜的离子导电性，以往的研究尝试包括添加引气剂[18,19]或发泡剂[20]，在水泥基质中引入离子传导介质[[21], [22], [23], [24], [25]]，以及使用冰模板法[[26], [27], [28]]。然而，这些改性技术较为复杂，需要精确控制，而且成本相对较高。另一个限制是只能使用无骨料浆体系统，这类系统具有固有的脆性，其长期性能（蠕变和收缩）也低于结构混凝土[[29], [30], [31]]。尽管有些研究获得了不错的强度（41.3 MPa）和离子导电率（40.9 mS cm-1），但其储能性能却不尽如人意（仅为24.4 μWh cm-2，而理想值应为0.5 mWh cm-2）[20,32]。对生物结构的分析表明，这些限制可能是由现有方法导致的。具体而言，蚂蚁群落的巢穴结构展示了如何通过分层组织的多级孔隙网络，成功实现机械强度与高效离子传输的结合[[33], [34], [35]]。通过系统研究它们的构建机制，即颗粒经过可控的涂层和组装过程，从而形成承重结构和相互连接的传输通道（见图1b），我们找到了适用于结构尺度混凝土基储能系统的仿生设计原则。这种结构效率并非通过在外部密集固体上强行添加孔隙来实现的，而是通过颗粒的组装过程，可控的涂层和填充同时建立了承重能力，并保持了相互连通的空隙网络，结构完整性和离子传输通道都是这一构建过程的产物。这一原则表明，通过精心添加骨料并创建分层孔隙结构，可以使结构混凝土在结构和电化学性能方面都表现出良好的平衡性。然而，这种源自生物学的思路，即通过可控的颗粒组装实现机械强度与离子传输效率的共存，在以往的水泥基储能设计中从未被采用过。
本研究首次提出了一种含有粗骨料的混凝土基隔膜策略，该策略不仅简化了制造流程，还能实现机械性能与能量密度的协同提升。我们通过仿照蚂蚁巢穴的构建原理来解决这一问题，即用碱活化浆体对单一尺寸的骨料进行涂层处理，从而在同一铸造过程中同时形成承重型的颗粒间接触点以及从纳米级到毫米级的分层相互连通空隙网络。具体来说，粗骨料通过自然堆积形成坚固的骨架，承担主要的外部载荷并构成离子传输通道；而碱活化浆体则类似蚂蚁的唾液，能够将粗骨料紧密粘合在一起，形成多孔的碱活化混凝土（AAC）[36]。这种方法形成了从AAC基质内的凝胶孔（纳米级）和毛细孔（微米级）到骨料间的相互连通空隙（毫米级）的分层孔隙结构，从而在保持结构完整性的同时实现高效的离子传输。渗透性模拟和分子动力学分析揭示了这种仿生分层结构背后的离子传输机制，结果表明，多级孔隙结构为离子迁移提供了高效的路径，既有快速的传输通道（相互连通的空隙），也有缓慢的传输通道（凝胶孔和孤立孔隙）。
如图1b所示，基于AAC的超级电容器主要由镍泡沫、活性炭、基于AAC的隔膜以及电解质组成。在电极中，镍泡沫既作为集流体，又作为活性炭的支撑基质。活性炭电极则提供电容，这种电容源自电极与电解质界面处的电双层结构。基于AAC的隔膜则充当电解质载体，同时起到分隔正负电极的作用，还提供机械支撑和离子传输通道。经过优化的基于AAC的隔膜具有24.5 MPa的抗压强度和35.6 mS cm-1的离子导电率。该器件在-10°C至80°C的温度范围内，承受200 kg的机械负荷时，仍能保持609 mF cm-2的比电容和85 μWh cm-2的能量密度。
