《Journal of Building Engineering》：Study on the regulation of pore porosity and pore structure in cement-based supercapacitors
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水泥基超級電容器通過熱誘導取向處理優化孔隙結構，X-CT分析顯示總孔隙率和連通孔隙率顯著增加，孔隙粗化且連通性提升，滲透率提高。機械性能因處理而下降，但電化學性能增強，比電容達63.3 F/m2。
Jinsheng Han|Shuai Zhao|Jinlong Pan|Wanlin Cao|Guohui Zhang|Zhigang Song|Jian Zhang
昆明理工大學土木工程與力學學院，中國昆明650500
摘要
基于水泥的超級電容器結合了機械支撐和能量存儲功能，展示了一種創新的能量存儲方法。超級電容器中水泥基體的孔隙率和孔結構對其機械性能和能量存儲能力有著顯著影響。本研究旨在探討孔隙調節后基于水泥的超級電容器的孔隙率和孔結構的變化。采用了一種經濟高效且簡單直接的熱誘導定向處理方法來調節孔隙率和孔結構。利用X射線計算機斷層掃描（X-CT）技術，研究了不同的孔結構，并分析了孔隙率、孔徑分布、連通性和方向性等關鍵參數的變化。同時，也研究了孔隙調節對基于水泥的超級電容器機械性能和電化學性能的影響。結果表明，經過熱處理的基于水泥的超級電容器表現出總孔隙率和連通孔隙率的增加、孔徑變粗、連通性增強以及絕對滲透率提高。小于0.4毫米的孔具有更高的迂曲度，而大于0.6毫米的孔的迂曲度降低。熱誘導定向處理減輕了熱處理對孔隙率的影響，并在連通孔中引入了方向性，使得沿定向方向的絕對滲透率高于其他方向。熱處理和熱誘導定向處理都會降低基于水泥的超級電容器的機械性能，但熱誘導定向處理能夠提升其電化學性能，使其比電容率達到63.3 F/m2。
引言
對不可再生化石燃料的依賴加劇了全球能源危機，并導致了環境污染[1]。因此，人們迫切需要清潔、可再生的能源[2]。然而，包括風能、潮汐能和太陽能在內的大多數可再生能源都不穩定且間歇性較強[3]，這使得它們不適合直接并入電網[4]，從而限制了可再生能源的發展和利用。為應對這一挑戰，將能量存儲設備納入電網[5]并實現大規模能量存儲解決方案[6]至關重要。在電網層面，已經部署了抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪等機械能量存儲技術。然而，這些技術的大規模應用往往受到地理條件、高資本成本和系統復雜性的限制[7]、8]、9]。對于分布式和模塊化的能量存儲應用，電化學設備（尤其是電池和超級電容器）具有更直接的應用潛力。
盡管如此，傳統的電化學能量存儲系統也面臨諸多挑戰。電池雖然具有高能量密度，但存在熱失控的安全隱患、有限的循環壽命以及對稀缺或有毒材料的依賴
[10]、
11]。相比之下，傳統超級電容器雖然具有出色的功率密度和長壽命優勢，但能量密度較低且單位能量存儲成本較高
[12]。因此，開發具有低要求、低成本、高安全性和長壽命的新型能量存儲技術十分必要。基于水泥的超級電容器利用了水泥材料的廣泛可用性和低成本，同時努力實現超級電容器的優異性能，為開發可擴展和可持續的能量存儲解決方案開辟了廣闊前景
[13]。
目前，基于水泥的超級電容器正在快速發展，相關研究也日益增多。Ma和Zhang[14]使用磷酸鎂水泥作為結構電解質，并結合了兩層石墨烯電極來開發基于水泥的超級電容器，這些超級電容器的抗壓強度為24.59 MPa，比電容率為46.38 F/g。Fang和Zhang[15]使用碳纖維和基于水泥的材料開發了超級電容器，其抗壓強度為23.65 MPa，離子電導率為7.48 mS/cm。此外，使用玻璃粉[16]、地質聚合物[17]和硅酸鹽水泥[6]作為粘合劑和電解質可以增強離子導電性。將高導電聚合物（如聚乙烯醇（PVA）[18]和聚丙烯酸（PAA）[19]引入水泥漿中以制備復合電解質，可以提高基于水泥的超級電容器的能量存儲能力，但這種改進可能會降低其機械性能。
在基于水泥的超級電容器領域，材料設計已經達到了很高的水平。然而，結構優化仍然具有很大的潛力，這對于提升其性能同樣至關重要。最近的研究強調了填充PVA-KOH水凝膠的層狀微孔水泥砂漿[20]以及含有Zn2+電解質并具有多尺度孔結構的充氣水泥砂漿[21]的應用。然而，孔結構優化的探索仍然有限且面臨諸多障礙。因此，我們可以深入研究孔結構的優化，以實現其設計的定向性，從而提高基于水泥的超級電容器的電化學性能。鑒于孔結構對基于水泥的超級電容器的機械性能和能量存儲能力至關重要，這一領域需要進一步的研究。
鑒于上述研究背景，本文采用了一種經濟高效且簡單直接的熱誘導定向處理方法來調節孔結構。利用X射線計算機斷層掃描（X-CT）技術，研究了不同的孔結構，并分析了孔隙率、孔徑分布、連通性和方向性等關鍵參數的變化。同時，也研究了孔隙調節對基于水泥的超級電容器機械性能和電化學性能的影響。優化基于水泥的超級電容器的孔結構設計有望提升其機械和電化學性能，從而推動其在能量存儲領域的進一步發展。
測試原材料和配比
基于水泥的超級電容器的設計配比見表1和表2。主要原材料包括水泥、標準砂、水和減水劑。本研究使用了發泡劑和泡沫穩定劑來促進水泥基體內孔隙的形成，從而提高孔隙率。所使用的水泥為P•O 42.5普通波特蘭水泥。標準砂的粒徑范圍為0.063毫米至2.00毫米。實驗用水為實驗室用水，發泡劑為
孔隙率
本文使用Avizo軟件進行了三維成像分析。首先分析了水泥基體的外觀，然后通過閾值分割方法提取所有孔隙，得到孔隙分布圖。接著利用分水嶺方法分析孔隙，生成了封閉孔的分布圖和水泥基體互連孔網絡的模型[28]，如圖2所示。
如圖2(c)所示，不同的顏色代表不同的
基于水泥的能量存儲機制
本文結合孔結構和電化學分析來研究基于水泥的超級電容器的儲能機制。圖12展示了充放電過程的結果。
如圖12(a)所示，在基于水泥的超級電容器的充電過程中，施加的外部電壓使電解質中的鉀離子向負極移動，氫氧根離子向正極移動，并在正極上吸附
結論
本研究采用熱誘導定向處理方法調節了基于水泥的超級電容器的孔結構，并探討了孔結構對其機械性能和能量存儲能力的影響。主要結論如下：
- (1)
經過熱處理的超級電容器的水泥基體表現出總孔隙率和連通孔隙率的增加，連通孔的孔徑分布均勻，平均孔徑較大，
作者貢獻聲明
Zhigang Song：項目監督、項目管理、資金獲取、概念構思。Shuai Zhao：撰寫 – 審稿與編輯、初稿撰寫、可視化處理、軟件應用、數據整理。Jinsheng Han：撰寫 – 審稿與編輯、項目管理、方法論研究、數據分析、概念構思。Jian Zhang：結果驗證、項目監督。Wanlin Cao：結果驗證、軟件應用、資源協調。Jinlong Pan：結果驗證、項目監督、方法論研究。Guohui Zhang：
利益沖突聲明
? 作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文研究的財務利益或個人關系。
致謝
本研究得到了國家自然科學基金（編號：52469021）和云南省應用基礎研究基金（編號：202401AT070338）的支持
