3D printed cement-based Li-ion batteries with hydration-reinforced networks
本研究提出了一种用于水泥基锂离子电池的可扩展3D打印策略，该策略利用水化增强网络来实现具有卓越长期电化学稳定性的机械强韧且具有分级孔隙结构的电极，从而有效地将被动建筑材料转化为主动的储能结构组件。
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想象一个这样的世界：你家中的墙壁、桥梁的支柱或是街道的铺路石，不仅仅只能承重，还能储存电能，成为巨大的、无声的电池，为灯光、传感器甚至建筑本身提供动力。这种被称为“结构化储能”的想法，长期以来一直是工程师们的梦想。挑战一直在于寻找一种既足够坚固可以用于建筑，又能像电池一样保持电荷的材料。混凝土和水泥是地球上最常见的建筑材料；它们价格低廉、耐火且极其耐用。然而，它们天生不擅长导电，而导电对于电池的运作至关重要。传统的电池依赖于由塑料粘合剂固定的脆弱化学混合物，这些粘合剂过于脆弱，无法作为结构梁使用。多年来，科学家们一直试图将水泥变成电池，但结果往往很弱，储能极少，或者仅使用几次后就失效了。目标是创造一种既是坚固的建筑基块，又是高性能储能设备的材料。
研究人员现在通过成功地用水泥3D打印出一个电池，向这一现实迈出了重要一步。他们并没有试图将标准的电池设计强行塞入混凝土中，而是开发了一种新方法，利用水泥自然的硬化过程来构建电池的内部结构。他们创造了一种特殊的“墨水”，由水、水泥和两种电池材料组成：一种用于存储正电荷，另一种用于存储负电荷。他们还添加了一个微小的碳颗粒网络，以帮助电能在混合物中移动。当这种“墨水”从3D打印机中挤出时，它会形成一个连续的形状。随着水泥干燥硬化，它会经历一种称为“水化”的化学反应，从而产生一个将一切锁在一起的矿物骨架。这个骨架提供了强度，而碳网络则确保了电流仍能自由流动。其结果是一个看起来和感觉起来都像建筑材料的固体打印物体，但其功能却是一个可充电的锂离子电池。
研究人员通过打印电池的正极和负极，然后将它们连接成一个完整的电池单元，对这种新材料进行了测试。他们发现，这种电池的表现非常出色。在慢速充电测试中，正极每克可以储存157.5个单位的能量，负极可以储存172.3个单位。这些数字与许多标准商业电池相当，证明了水泥并没有破坏电池材料的化学活性。更重要的是，该电池表现出了惊人的耐用性。在经过一万次充放电循环后，整个电池仍保留了其原始能量容量的98.5%。这种耐用水平在电池领域是非常罕见的，尤其是对于由如此粗糙、多孔的材料制成的电池而言。研究表明，水泥框架实际上起到了保护电池材料的作用，即使在电池因使用而发生膨胀和收缩时，也能保持其稳定性。
除了储能之外，该材料还展示了现实世界建筑所需的安全性与多功能性。与使用易燃液体化学品和塑料部件的传统电池不同，这种基于水泥的电池是由不可燃矿物质制成的。在一次直接测试中，研究人员用火焰烧了打印出的电池十分钟。该物体保持了形状，没有熔化，也没有起火，展现出了塑料电池无法比拟的耐热水平。3D打印过程还允许研究人员创建复杂的形状和厚层，而不会导致电池失效。他们打印了不同厚度的电极，发现电流在厚层中的流动与在薄层中的流动一样顺畅。这表明，这些电池可以被打印成大型的定制形状，以精确符合建筑中需要它们的地方，而不是被迫采用标准的矩形盒装形式。
这项研究还解释了为什么这种方法在以往尝试失败的情况下能够奏效。以前尝试制造水泥电池的尝试之所以失败，通常是因为水泥会阻碍电流的移动或破坏脆弱的电池化学物质。研究人员发现，通过仔细平衡水泥、电池材料和碳的比例，他们可以创建一个网络，其中水泥提供强度，而碳提供“电气高速公路”。他们将这种基于水泥的“墨水”与其他使用不同粘合剂（如氧化铝或二氧化硅）的混合物进行了对比，发现水泥版本的性能表现最佳。水泥不仅将结构固定在一起，而且似乎还改善了离子的流动——即携带能量进入电池内部的微小带电粒子。这种独特属性的结合意味着，该材料不仅仅是一个被动的能量容器，更是能量系统中有机且集成的一部分。
这项工作为建筑业的未来指明了一条新路径。它超越了仅仅将标准电池嵌入墙壁的想法，而是提出墙壁本身就可以是电池。由于具备打印这些结构的能力，建筑师和工程师可以设计出带有内置储能功能的建筑，并根据结构的特定形状和需求进行定制。所使用的材料成本低廉且供应广泛，且该过程具有可扩展性，这意味着它可以用于制造大量此类储能组件。虽然这项技术仍处于研究阶段，但结果表明，在不牺牲安全性、强度或性能的前提下，融合建筑与储能领域是完全可能的。这种基于水泥的电池是一个概念验证，证明了我们用来建造世界的材料也可以为这个世界提供动力。
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