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High‐Performance Bioinspired Rechargeable Cement‐Based Batteries for Low‐Carbon Self‐Powered Buildings

材料科学 曲折 储能 电解质 纳米技术 水泥 碳纤维 复合材料 电极 化学工程 多孔性 复合数 功率(物理) 工程类 物理 物理化学 量子力学 化学
作者
Qiang Cai,Junyuan Guo,Rui Zhang,Zijian Li,Pan Feng,Jingjing Luo,Xiaoli Zhao,Linglin Xu,Kai Wu
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:37 (35): e2505202-e2505202 被引量:34
标识
DOI:10.1002/adma.202505202
摘要

Abstract Cement‐based batteries (CEMBs) uniquely integrate energy storage and load‐bearing functions, offering transformative potential for self‐powered and sustainable buildings. Unfortunately, their application is greatly hindered by low capacity and limited cycle life. The high tortuosity of ion transport at the centimeter scale, and sluggish kinetics at the electrolyte/electrode interfaces in CEMBs are the two main reasons for the limited energy storage performance. Herein, these issues by designing vertically aligned pore channels in a cement matrix is overcome, mimicking the tracheid structure of conifer. This bioinspired design reduces the ion transport tortuosity from 7.80 to 2.86, resulting in a fourfold increase in ion conductivity (to 32.7 mS cm −1 ), while maintaining high mechanical strength (41.6 MPa). The quasi‐solid‐state CEMBs demonstrate superior performance, delivering a remarkable capacity of 114 mAh g −1 and retaining 63.2% of their capacity after 300 cycles at 0.5 A g −1 . In comparison, traditional CEMBs exhibit a lower initial capacity of 62 mAh g −1 and experience rapid degradation, losing functionality after just 75 cycles. Impressively, the bioinspired CEMBs can simultaneously charge a mobile phone and endure external mechanical loads, showcasing their dual functionality. This innovative bioinspired design presents a promising pathway for scaling up cement‐based energy storage systems to enable low‐carbon, self‐powered buildings.
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