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文献速读 Small：基于水泥基水系镍-锌结构电池的全太阳能不间断公路隧道照明系统  题目 Fully Solar-Powered Uninterrupted Highway Tunnel-Lighting System Enabled by Cement-Based Aqueous Ni-Zn Structural Batteries 基于水泥基水系镍-锌结构电池的全太阳能不间断公路隧道照明系统 来源 出版年份：2025年 来源：Small 通讯作者：同济大学材料科学与工程学院潘争辉教授 & 同济大学材料科学与工程学院潘争辉教授陈庆教授 & 同济大学土木工程减灾国家重点实验室朱合华院士 研究背景 公共设施及大型基础设施（如室外照明系统）为人类活动提供了各种便利，但也消耗了大量电能。相较于仅在夜间运行的传统照明系统，高速公路隧道照明需全天候不间断供电。在中国，高速公路年均耗电量高达≈106.7亿千瓦时，其中隧道照明系统占比高达60%～80%。现有隧道照明系统由锂电池或电网直接供电。前者受限于锂资源依赖性与易燃有机电解液特性，存在安全隐患与空间限制；后者则面临山区地理条件制约与高昂运营成本。因此，研发一种完全太阳能供电且可全天候运行的隧道照明能源电力系统至关重要，但仍具挑战。 近年来，利用建筑材料储能以构建结构储能系统（SESSs）具有巨大前景，其成本低、资源丰富及空间利用率高等优势可重塑传统能源结构。现有结构储能系统主要分为两类：结构超级电容器与结构电池。相较于超级电容器，电池具有更高能量密度和更稳定的自放电性能，在结构储能系统中具有更广阔的前景。有研究者率先开发出可充电水泥基镍-铁电池，其能量密度为0.8瓦时/升，但仅能循环充放电6次。在此基础上，另有研究者通过设计电极探针型结构取代层状结构，将水泥基镍-铁电池循环寿命提升至100次。然而，2D阴极与水泥基结构电解质（CSEs）之间的有限接触面积导致电池比容量与能量密度不足。相较于2D电极，基于泡沫镍的3D连续多孔网络电极可提供更大的有效表面积，促进活性材料与CSEs之间电化学反应，从而提高结构电池的能量密度与循环稳定性。 研究出发点 现有研究尚未开发基于SESSs的全天候太阳能隧道照明系统。此外，目前仍缺乏关于结构电池力学性能的研究，这制约了其在建筑结构中进一步应用。 研究内容 本文首次成功构建了一种水泥基水系镍-锌结构电池（CNZSBs）、太阳能板与发光二极管（LED）的全太阳能驱动不间断照明系统，并作为概念验证应用。本文主要内容为： 电极制备：在Ni泡沫表面均匀生长垂直互连的微米阵列钴基金属有机框架（Co-MOFs）；Co-MOF随后在NiSO4·6H2O溶液中发生可逆水解，转化为NiCo双氢氧化物（NiCo-DH），从而在微纳米尺度上保持互连结构。随后，在三电极系统中评估了所制备NiCo-DH电极的电化学性能。 CSEs制备：将聚乙烯醇（PVA）与KOH（用ZnO饱和）混合制备成水凝胶溶液，随后与水泥混合制备成CSEs。表征了所制备CSEs的孔结构、力学性能、离子电导率。 概念验证应用：将所制备CSEs与NiCo-DH正极和Zn负极组装成CNZSBs，随后表征其电化学性能，并评估其在实际LED供电中的应用。  图1 由光伏板、CNZSBs和隧道照明灯组成的全太阳能不间断公路隧道照明系统示意  图2 （a）CNZSB制备；（b）Co-MOF电极和（c）NiCo-32电极的扫描电子显微镜（SEM）图；（d）NiCo-32电极的能谱（EDS）元素分布图；（f）N 1s、（g）O 1s、（h）Ni 2p和（i）Co 2p的高分辨率X射线光电子能谱（XPS）图；（j）具有不同反应浓度的NiCo-DH电极拉曼光谱  图3 不同反应浓度下NiCo-DH电极的电化学性能：（a）循环伏安（CV）曲线；（b）充放电（CD）曲线；（c）不同电流密度下的比容量；（d）不同扫描速率下NiCo-32电极的CV曲线；（e）不同扫描速率与NiCo-32电极峰值电流密度之间关系；（f）不同电流密度下NiCo-32电极的CD曲线  图4 PVA-KOH(ZnO)水凝胶溶液修饰的CSEs表征：养护3d后CSEs的SEM图：（a）B0；（b）P6K6-15；（c）P6K6-15的SEM-EDS分析；养护3d后CSEs的SEM图：（d）P6K6-45，（e）P4K6-45；（g）养护3d和（j）28d时不同CSEs的X射线衍射（XRD）图；（i）养护3d和（l）28d后不同CSEs的傅立叶变换红外（FTIR）光谱（B0为对照组（不含水凝胶溶液），不同CSEs用PxK6-y表示（x代表PVA浓度，y代表掺杂百分比）  图5 经PVA-KOH(ZnO)水凝胶溶液改性的CSEs孔结构和性能：（a）养护3d和（b）28d时CSEs的T2弛豫分布；（c）养护3d和28d时CSEs的最大可几孔径；（d）养护3d和（e）28d时CSEs中不同类型孔隙百分比；（f）养护3d和（g）28d时CESs离子电导率；（h）中孔与离子导电率之间关系；（i）养护3d和（j）28d时CSEs抗压强度；（k）大孔与抗压强度之间关系  图6 组装的CNZSB电化学性能：（a）CNZSB断裂照片；（b）养护3d后不同CNZSB的CD曲线；（c）养护3d后P6K6-30 CNZSB在不同电流密度下的CD曲线；（f）养护28d后不同电流密度下P6K6-30 CNZSB的CD曲线；（g）2 mA cm-2电流密度下P6K6-30CNZSB的充放电循环性能；（h）养护3d后不同电流密度下P6K6-30 CNZSB（电极间距为2 mm）的CD曲线  图7 CNZSBs设备和完全由太阳能供电的不间断照明系统演示：（a）单个装置、两个并联收集装置和两个串联装置的CD曲线；（b）单个装置在自放电8h后的容量保持率；（c）本文所设计的CNZSBs能量密度和抗压强度与过往研究结果对比；（d）集成装置在阳光下和不同工作时间充电照片；（e）两个装置串联，在10 kg负载下点亮LED；（g）两个装置串联，点亮3*9 cm灯板（3～5 V）；（f）完全太阳能供电的不间断照明系统示意：电池组的充电曲线和LED供电过程的放电曲线 总结 本文成功构建了由太阳能板、水泥基水系镍-锌结构电池（CNZSBs）与发光二极管（LED）组成的集成照明系统，可实现LED全天候不间断照明需求。本文主要结论如下： （1）该创新系统无需外部电源即可通过太阳能供电，并为高速公路隧道提供24h不间断照明。具体而言，太阳能板可持续输入能量，白天为CNZSBs充电储能并为LED稳定供电，而充满电的CNZSBs可在夜间提供恒定输出电压驱动照明。 （2）三维镍泡沫基底上生长的垂直互联纳米-微米结构可为水泥基结构电解质（CSEs）提供更多活性位点。 （3）经聚合物溶液改性的CSEs兼具良好离子电导率、抗压强度及与锌阳极的优异界面结合性。 （4）拟合结果表明，CSEs离子电导率与中孔结构密切相关，而抗压强度则与大孔分布高度相关。 （5）所设计的CNZSBs可稳定充放电循环超过200次（200次循环后容量保持率≈70%，库仑效率98.5%），其最大能量密度达2.56千瓦时/立方米，功率密度为5.29千瓦/立方米，实现日间储能与夜间LED供电功能。 综上所述，本文所制备全天候太阳能照明系统为智能建筑与可再生能源领域的发展提供了新机遇。 |
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