High Performance Zn–Mn Cement Batteries for the Next Generation of Buildings

Zhaolong Liu, Pan Feng*, Long Yuan, Ruidan Liu, Xiangyu Meng, Guanghui Tao, Jian Chen, Zaiping Guo*, Changwen Miao*

Nano-Micro Letters (2026)18: 284

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02122-x

本文亮点

1. 水泥有活性，容量大提升：将传统水泥基材料设计为活性水泥基隔膜(ACSs)，从被动载体变为 “容量增强体”，显著提升锌锰电池容量。

2. 原位质子缓冲，稳定沉积：ACSs 中持续生成的碱式硫酸锌(ZSH)充当高效质子缓冲剂，抑制电解液酸化，促进birnessite-MnO₂ 沉积。

3. 结构-电化学双优：基于 ACSs 的锌锰电池实现结构强度(20 MPa)与电化学性能平衡，能量密度提升一个数量级(0.92 mWh cm⁻2)，1000 次循环容量保持率高达 99.98%。

研究背景

全球建筑碳排放占比达37%，是碳中和攻坚重点，光伏等可再生能源与建筑融合时存在供需错配问题，结构储能系统(SESS)成为刚需。水泥基结构储能成本低、安全性高、不占额外空间，是建筑储能的优选方案，但现有技术存在明显短板。一方面，现有水泥基储能以超级电容器为主，能量密度极低、无稳定电压平台。另一方面，基于电池原理的水泥基储能虽能量密度更优，与水泥耦合后却面临水泥强碱性腐蚀与离子传输速率低等问题。此外，现有体系无法兼顾力学性能与电化学性能，远未达到实用标准，核心矛盾是未能挖掘水泥电化学活性，无法同步解决正负极界面缺陷。因此，重构水泥功能，实现结构承载与储能一体化，是突破建筑结构储能瓶颈的关键。

内容简介

针对水泥基结构储能电极界面问题交织、结构与电化学性能难以兼顾的行业痛点，东南大学缪昌文院士团队联合阿德莱德大学郭再萍院士，打破水泥“惰性载体”的传统认知，创新性提出活性水泥基隔膜(ACSs)全新策略，通过单一功能化隔膜实现正负极界面同步调控。团队采用复合发泡工艺结合真空浸渍法，制备含ZnSO₄-MnSO₄电解液的ACSs，利用水泥水化产物与电解液原位反应生成碱式硫酸锌(ZSH)。在正极侧，ZSH充当质子缓冲剂，消耗Mn2⁺氧化产生的H⁺，抑制电解液酸化，促进birnessite-MnO₂高效沉积。该策略无需复杂电极设计，仅通过水泥功能化改性，就实现了结构力学强度与电化学储能性能的协同提升，为研发面向净零能耗建筑的高性能结构储能电池，提供了可规模化的新思路。

图文导读

I 建筑结构储能设计理念提出

图1为ACSs基锌锰结构电池赋能净零能耗建筑的概念示意图，清晰呈现该储能体系的核心应用场景：将锌锰水泥电池一体化嵌入建筑墙体，既承担建筑承重结构的力学功能，又可高效存储光伏可再生能源、供给建筑日常用电，完美打通清洁能源利用与基础设施建设的链路，直观体现结构承载+电化学储能双重功能合一的设计核心，彰显研究助力建筑碳中和的实用价值。

图1. 基于ACSs的锌锰结构电池储能系统辅助的净零能耗住宅概念示意图。

II 活性水泥隔膜(ACSs)制备与结构性能表征

本研究采用铝粉-十二烷基硫酸钠(SDS)复合发泡工艺，搭配真空浸渍法制备负载ZnSO₄-MnSO₄电解液的ACSs，图2系统展示其制备流程与多维度表征结果。物相分析证实，水泥水化产物Ca(OH)₂与电解液反应，原位生成碱式硫酸锌(ZSH)和石膏；力学与离子电导测试显示，MnSO₄浓度可显著影响材料力学-电化学性能，最优M20组(0.2 M MnSO₄)抗压强度逼近20 MPa，离子电导率达12.4 mS cm-1；孔结构表征进一步表明，ZSH的生成可致密化孔隙，实现力学强度与离子传输效率的平衡。

图2. 界面电化学调控。

III 水泥基锌锰结构电池电化学性能与规模化实用化验证

图3与图4聚焦电池核心性能及规模化应用，全方位验证体系优越性。图3测试结果显示，ACSs基锌锰电池存在独特的容量攀升效应，M20组活化后面容量突破0.70 mAh cm⁻2；0.8 mA cm⁻2电流下1000次循环容量保持率高达99.98%，能量密度达0.92 mWh cm⁻2，较传统水泥基储能提升10倍。图4在此基础上开展规模化验证，100 cm2大面积器件可串并联扩容，电压、容量灵活可调；自研储能砖(ESB)兼具承重与供电能力，可承受车辆重压并点亮LED屏幕；建筑用电测算显示，体系体积能量密度达2.3 kWh m⁻3，仅需2-5面储能墙体即可满足130 m2公寓全天用电，实用化潜力突出。

图3. 基于 ACSs 的结构型锌锰电池电化学性能。

图4. 大尺寸锌锰结构电池的电化学性能与规模化测算。

IV 基于ACSs的水泥基锌锰结构电池界面反应机理与储能机制解析

图5与图6结合原位表征与机理示意图，深度拆解电池储能核心原理。图5通过原位pH监测、非原位XRD、SEM、Raman及XPS表征证实：ACSs组电解液pH始终稳定，而商用隔膜组出现剧烈酸化，ZSH充当质子缓冲剂，持续消耗Mn2⁺氧化产生的H⁺，保障birnessite-MnO₂稳定沉积。图6则以机理示意图直观呈现全反应路径：水泥水化产Ca(OH)₂→原位生成ZSH→ZSH中和H⁺稳定正极沉积→容量显著增长，循环稳定性显著提高，清晰揭示水泥从惰性载体转变为活性功能组件的科学本质，阐明正负极协同优化的内在机制。

图5. 基于ACSs 的水泥基锌锰结构电池的充放电机理表征。

图6. 基于 ACSs 的水泥基锌锰结构电池储能机理汇总。

V 总结

本研究颠覆了水泥基材料仅作为惰性结构载体的传统认知，首次将中性水系锌锰电池与水泥基体深度耦合，开发出活性水泥基隔膜(ACSs)新型结构储能体系，攻克了传统水泥储能能量密度低、循环稳定性差、结构与性能失衡的核心难题。

团队采用复合发泡工艺结合真空浸渍法，制备含ZnSO₄-MnSO₄电解液的ACSs。在此过程中，水泥水化产物与电解液原位反应生成碱式硫酸锌(ZSH)，参与充电过程中的质子缓冲与界面协同调控，促进了正极MnO₂的高效沉积，最终构筑的锌锰水泥结构电池兼具近20 MPa抗压强度、0.92 mWh cm⁻2高能量密度，1000次循环容量保持率高达99.98%，性能较传统体系提升一个数量级。

该体系实现“结构承重+电化学储能”一体化，具备低成本、高安全、易规模化的优势，不仅为净零能耗建筑、基础设施储能提供了可行方案，更为水泥基功能材料的电化学改性与多场景应用开辟了全新研究思路。

作者简介

冯攀

本文通讯作者

东南大学 教授

▍主要研究领域

(1) 结构储能混凝土；(2) 水泥基材料微结构调控；(3) 低碳土木工程材料。

▍主要研究成果

东南大学教授、担任Cem. Concr. Res., Constr. Build. Mater.等国际期刊编委，材料与结构研究实验所国际联合会(RILEM)教育发展委员会(EAC)委员，RILEM技术委员会TC 284-CEC, TC 285-TMS与TC-MPC委员。发表SCI论文90余篇，授权发明专利10余项，先后获得Cement and Concrete Research杰出论文奖、美国陶瓷学报最佳论文奖、国际先进材料协会IAAM Scientist、中国建材联合会基础研究类二等奖(排名1)等多项荣誉。

▍Email：pan.feng@seu.edu.cn

缪昌文

本文通讯作者

东南大学 教授

中国工程院院士

▍主要研究领域

(1) 混凝土微结构调控机理；(2) 混凝土耐久性及其评价方法；(3) 混凝土裂缝成因机理及改进措施；(4) 高性能混凝土外加剂研究；(5) 仿生自发电储能混凝土。

▍主要研究成果

现任东南大学学术委员会主任、先进土木工程材料国际联合实验室主席、国际绿色建筑联盟主席，高性能土木工程材料国家重点实验室主任兼首席专家。长期深耕土木工程材料理论与工程应用研究，主持国家 “973”、国家自然科学基金重点等项目 30 余项。获国家科技进步二等奖 3 项、国家技术发明二等奖 1 项、省部级科技进步一等奖 7 项；授权发明专利 80 余项，出版专著 4 部，发表论文 200 余篇。兼任国际材料与结构实验研究联合会(RILEM)管理与决策委员会委员、中国建筑材料联合会副会长等职，获何梁何利基金科学与技术创新奖、全国杰出专业技术人才奖等荣誉。

▍Email：mcw@cnjsjk.cn 

郭再萍

本文通讯作者

阿德莱德大学 教授(曾任)

现任香港城市大学 讲席教授

澳大利亚科学院院士、澳大利亚技术科学与工程院院士

▍主要研究领域

(1) 高性能锂 / 钠 / 钾二次电池；(2) 水系锌离子电池；(3) 电催化 CO₂还原；(4) 储能与转换电极材料及电解质设计。

▍主要研究成果

澳大利亚科学院院士、澳大利亚技术科学与工程院院士、欧洲科学院院士、国际先进材料协会会士。澳大利亚研究理事会(ARC)桂冠学者(Laureate Fellow)、未来教授、伊丽莎白二世女王奖学金获得者。担任英国皇家化学会旗舰期刊 Chemical Science 副主编、ACS Applied Materials & Interfaces 副主编。发表 SCI 论文 600 余篇，被引超 65000 次，Google Scholar h 指数 137；2018–2024 年连续入选科睿唯安全球高被引科学家。获新南威尔士州州长工程卓越奖、伍伦贡大学年度杰出研究人员奖等多项荣誉。

▍Email：zaiping.guo@adelaide.edu.au

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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