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全球首个可充电水泥基电池概念 精选

已有 2225 次阅读 2021-5-18 21:27 |个人分类:新科技|系统分类:海外观察

全球首个可充电水泥基电池概念

诸平

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Luping Tang  Professor at the Department of Architecture and Civil Engineering, Chalmers University of Technology, Sweden. Email: tang.luping@chalmers.se, Tel +46 31 772 2305

Emma Qingnan Zhang Doctor, formerly of the Department of Architecture and Civil Engineering, Chalmers University of Technology, now Senior Development Scientist at Delta of Sweden. Email: emma@deltaofsweden.com Tel +46 76 880 3533 

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Rechargeable cement-based batteries utilised as functional concrete. Illustration: Yen Strandqvist.

据物理学家组织网(Phys.org2021518日报道,瑞典查尔默斯工业大学建筑与土木工程系(Department of Architecture and Civil Engineering, Chalmers University of Technology)教授唐录平(Tang Luping音译)和前查尔默斯工业大学建筑与土木工程系博士,现任高级瑞典三角洲的发展科学家(Senior Development Scientist at Delta of Sweden)张清楠(Emma Qingnan Zhang)已经开发出可充电水泥基电池,用作功能性混凝土(详见上述插图)。相关研究结果于202139日已经在《建筑物》(Buildings)杂志网站发表——Emma Qingnan Zhang, Luping Tang. Rechargeable Concrete Battery. Buildings, 2021, 11(3): 103; https://doi.org/10.3390/buildings11030103. Published: 9 March 2021.

想象一下整个20层的混凝土建筑,它可以像巨型电池一样存储能量。得益于瑞典查尔默斯理工大学的独特研究,这样的愿景有朝一日可能成为现实。查尔默斯工业大学建筑与土木工程学系的研究人员在上述论文中概述了由水泥制成的可充电电池的新概念。

对可持续建筑材料的不断增长的需求给研究人员带来了巨大挑战。瑞典查尔默斯理工大学的前任博士生艾玛·Emma Zhang)几年前加入了唐录平教授Professor Luping Tang)的研究小组,以寻找未来的建筑材料。他们现在在一起已经成功地开发出世界首创的可充电水泥基电池概念。   

 该概念首先涉及一种水泥基混合物,其中添加了少量的短碳纤维以增加导电性和抗弯韧性。然后,将嵌入金属的碳纤维网嵌入混合物中,其中铁为阳极,镍为阴极。经过大量实验,这是研究人员现在展示的原型

张博士(Emma Zhang)解释说:“早期研究混凝土电池技术的研究结果显示,其性能非常低,因此我们意识到我们必须开箱即用,想出另一种生产电极的方法。我们已经开发出的这种特殊想法(也是可充电的)以前从未探索过。现在我们有了实验室规模的概念验证。

唐录平和张清楠的研究生产了一种可充电的水泥基电池,其原型在6个充电和放电循环中,其平均能量密度为7 Wh/m2(或0.8 Wh/L)。他们测试了电极的几种组合,发现铁阳极和镍基氧化物阴极产生了最佳结果。通过添加短碳纤维,以不同的比例进行试验,可以找到约0.5%碳纤维的最佳混合物,从而提高了水泥基混合物对电解质的电导率。能量密度用于表示电池的容量,适度的估计是,新的查尔默斯电池的性能可能是早期混凝土电池的十倍以上。与商用电池相比,能量密度仍然很低,但是由于在建筑物中使用时可构造出巨大的电池体积,因此可以克服此限制。

解决储能问题的潜在关键 

电池可充电是其最重要的品质,如果将其进一步开发和商业化,则使用的可能性几乎是惊人的。储能显然是可能的,而监视则是另外一个可能性。研究人员看到的应用范围很广,包括为LED供电,在偏远地区提供4G连接或对混凝土基础设施进行腐蚀的阴极保护。例如,它还可以与太阳能电池板结合使用,以提供电力并成为高速公路或桥梁监控系统的能源,其中由混凝土电池驱动的传感器可以检测到裂缝或腐蚀。

以这种方式使用结构和建筑物的概念可能是革命性的,因为它将通过提供大量的能量存储来为能源危机提供替代解决方案。通过将水泥与其他成分混合而形成的混凝土是世界上最常用的建筑材料。从可持续性的角度来看,它远非理想,但向其添加功能的潜力可能会提供一个新的维度。张清楠评论说:“我们的愿景是,将来该技术可以允许使用功能性混凝土制成的多层建筑的整个部分。考虑到任何混凝土表面都可以嵌入一层这种电极,我们正在谈论大量的功能性混凝土。” 

 服务寿命方面仍然存在挑战  

可充电水泥基电池这个想法还处于初期阶段。在将该技术商业化之前可能要解决的技术问题包括延长电池的使用寿命以及开发回收技术。

张清楠说:“由于混凝土基础设施的使用寿命通常为50年甚至100年,因此需要对电池进行精修以使其符合要求,或者在使用寿命结束后更易于更换和回收电池。目前,从技术角度来看,这是一个重大挑战。” 

但是研究人员希望他们的创新可以提供很多。唐录平教授总结道:我们深信,这一理念为使未来的建筑材料具有可再生能源等附加功能做出了巨大贡献。

 该研究项目由瑞典能源署(Swedish Energy Agency)资助,更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

A rechargeable cement-based battery was developed, with an average energy density of 7 Wh/m2 (or 0.8 Wh/L) during six charge/discharge cycles. Iron (Fe) and zinc (Zn) were selected as anodes, and nickel-based (Ni) oxides as cathodes. The conductivity of cement-based electrolytes was modified by adding short carbon fibers (CF). The cement-based electrodes were produced by two methods: powder-mixing and metal-coating. Different combinations of cells were tested. The results showed that the best performance of the rechargeable battery was the Ni–Fe battery, produced by the metal-coating method. View Full-Text




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