导语：面对建筑领域高能耗与碳排放的双重挑战，东北大学孙文静教授团队创新性地将农业废弃物——稻壳炭引入碱激发电解质体系，成功研发出兼具结构承载与储能功能的高性能结构超级电容器。相关成果以High-performance structural supercapacitors with rice husk carbon-modified alkali-activated electrolytes for building energy storage为题，发表于材料领域权威期刊《Cement and Concrete Composites》（2027 年第 175 卷）。
1. 研究背景：让建筑"会发电、能储电"
随着全球经济发展和人工智能时代的到来，能源需求持续攀升，风能、太阳能等可再生能源正加速替代传统化石能源。然而，这些清洁能源固有的间歇性和波动性，对稳定可靠的储能系统提出了迫切需求。
水泥基材料（砂浆、混凝土等）是当今世界使用最广泛的人造建筑材料，但其生产和施工过程伴随着巨大的能耗与碳排放。若能在建筑结构中集成储能功能，使建筑物本身成为储能体，将有望大幅降低对外部能源的依赖，推动建筑行业向智能化、低碳化转型。
结构超级电容器（Structural Supercapacitors, SSCs）正是这一理念的核心载体 —— 它以多孔微结构的水泥基材料同时充当结构电解质和电极承载层，将电能存储与结构承载合二为一。
Fig. 1.建筑储能模式
优化水泥基结构电解质性能的核心在于孔隙率与孔隙连通性的可控设计。未改性水泥基体系电解质微观结构致密，无法满足快速离子输运需求，严重限制离子传导与器件性能。现有调控方法包括发泡法，采用铝粉、H₂O₂、Na₂CO₃、十二烷基磺酸钠等可直接提升孔隙率，但主要增加大毛细孔与大孔体积，孔隙网络连通性不足；引入水凝胶如PVA、PAA、PAM等可在水泥基体中形成三维离子输运网络，同时提升孔隙率与连通性；冰模板法可定向凝固形成高连通性仿生通道，降低输运路径曲折度。但现有研究仍存在局限：高离子电导率的层状镁水泥电解质对应器件面电容仍偏低；未改性碱激发偏高岭土地聚物电解质面电容较高但内阻极大、循环性能差，体现出结构超级电容器电化学性能由电极决定、却受电解质离子输运能力严重制约的特征。
2. 创新思路：稻壳炭的"点石成金"
传统碱激发水泥基电解质存在孔隙率低、离子传输受限的瓶颈，导致超级电容器的倍率性能和电容表现不尽如人意。
研究团队另辟蹊径，将稻壳炭（Rice Husk Carbon, RHC）—— 一种来源广泛、成本低廉的农业废弃物 —— 经 800°C 碳化 30 分钟后，掺入由钢渣（SS）和粒化高炉矿渣（GGBS）制备的碱激发电解质中。稻壳天然具有三维多孔结构，其炭化产物有望在电解质内部构建高效的离子传输网络，从而提升整体储能性能。
研究团队系统考察了活性炭（AC）电极的厚度与质量负载、稻壳炭掺量、电解质厚度等关键参数对器件电化学性能的影响，并结合微观结构表征揭示了性能调控机制。
Fig. 2.原材料的微观图
3. 核心发现：三重优化实现性能跃升
n电极优化：找到黄金参数
研究发现，AC 电极的压实厚度和质量负载对电化学性能有显著影响。通过辊压工艺调控电极微结构，最佳压实厚度为0.33 mm，最佳质量负载为 15 mg/cm²，此时电极比电容达到130.5 F/g，且电化学阻抗谱中呈现出理想的可区分半圆，表明电极结构均一、离子传输高效。
Fig. 3 AC电极的电化学性能。（a）三电极电化学测试系统，（b）调控负载率和电极厚度的辊压示意图，（c）不同压实厚度AC电极的微结构示意图，（d）-（f）不同电极厚度的CV曲线、GCD曲线和EIS曲线，（g）-（i）不同AC负载率电极的CV曲线、GCD曲线和EIS曲线。
n稻壳炭改性：30% 是关键阈值
当稻壳炭掺量超过30 wt% 时，器件电化学性能实现显著跃升。其中，C-45 器件（稻壳炭掺量 45%）表现最优：
l最大面电容高达847 mF/cm²（电流密度3 mA/cm²）
l经10,000 次恒流充放电（GCD）循环后，电容保持率仍超过 80%
l离子电导率达到83.9 mS/cm，较未掺稻壳炭的样品提升近 14 倍
微观表征表明，适量稻壳炭的引入促进了微 / 纳米级孔隙的形成，构建了连续的离子传输网络；但过高掺量（如 60%）会导致大孔比例增加、水化反应产物减少，反而削弱离子传输效率。
Fig. 4稻壳碳掺量对电化学性能的影响。（a）在扫描速率5 mV/s下不同稻壳碳掺量SSCs的CV曲线，（b）C-30 SSC在5 - 100 mV/s时的CV曲线，（c）Relationship between Log i (peak current) and Log v (scan rate) with linear fitting curves, (d) 不同稻壳碳掺量SSCs在电流密度为3 mA/cm2时的GCD曲线，（e）C-30 SSC在电流密度为3-15 mA/cm2时的GCD曲线，（f）在3-15 mA/cm2电流密度下的倍率性能，（g）不同稻壳碳掺量SSCs的EIS曲线，（h）不同稻壳碳掺量SSCs的离子电导率，（i）不同稻壳碳掺量SSCs的Ragone plot。
n电解质厚度：薄即是优
电解质厚度从3 mm 增加到 7 mm 时，器件内阻显著升高，电化学性能持续下降。在 15 mA/cm² 电流密度下，7 mm 厚器件的电容保持率较 3 mm 器件下降了约 13 个百分点。这表明，在保证结构力学性能的前提下，应尽可能减薄电解质层以缩短离子传输距离。
Fig. 5不同厚度电解质的储能特性。（a）SSC 的结构示意图，（b）不同电解质厚度的离子吸附扩散机理图，（c）-（e）电解质厚度为3-7 mm SSCs的CV曲线、GCD曲线和EIS曲线，（f）Relationship between Log i (peak current) and Log v (scan rate) with linear fitting curves, (g) 不同电解质厚度SSCs的倍率性能，（h）不同电解质厚度SSCs的Ragone plot。
4. 实际验证：三个器件串联点亮 LED 52 分钟
为验证实际应用潜力，研究团队将三个 SSC-16 器件串联组装，成功驱动一颗红色 LED 持续发光长达 52 分钟，远超此前同类研究报道的工作时长。循环稳定性测试显示，C-45 器件在 10,000 次循环后电容保持率超过 85%，展现出优异的长期服役能力。
值得注意的是，尽管稻壳炭的引入使电解质抗压强度有所下降（C-60 样品降至 3.98 MPa），但 C-45 器件仍保持 5.73 MPa 的抗压强度，基本满足建筑构件的力学要求。研究团队指出，未来可通过纤维增强或聚合物复合进一步优化力学性能。
Fig. 6电解质的微观形貌图。（a）在28 d时不同稻壳碳掺量试样的抗压强度，（b）不同稻壳碳掺量电解质的孔径分布曲线，（c）不同孔隙类型的占比图，（d）-（e）不同稻壳碳掺量电解质的TG-DTG图和XRD图，（f）-（g）C-60的微观图及其元素分布图，（h）-（i）C-30的SEM图。
5. 研究意义与展望
这项研究为农业废弃物的高值化利用和建筑储能材料的开发提供了新思路。通过将稻壳炭这一廉价、可再生的生物质碳材料引入碱激发电解质体系，不仅实现了结构超级电容器电化学性能的大幅提升，也为解决稻壳焚烧带来的环境污染问题提供了新途径。
研究团队表示，未来工作将聚焦于准固态结构超级电容器和水系锌离子电容器的开发，通过拓宽工作电压窗口进一步提升能量密度，并开展更大尺寸器件的实际应用验证，推动建筑储能技术从实验室走向工程应用。
论文信息：
l标题：High-performance structural supercapacitors with rice husk carbon-modified alkali-activated electrolytes for building energy storage
l期刊：Cement and Concrete Composites, 175 (2027) 106818
lDOI：10.1016/j.cemconcomp.2026.106818
l第一作者：姚杰（东北大学）
l通讯作者：孙文静（东北大学）
l基金支持：国家自然科学基金（42372308）、深部金属矿智能开采与装备全国重点实验室自主研究项目（IDMEIRI2507）。
编辑：孙文静 姚杰
审核：何本国 孙雯