CN113436899A - 一种地聚物基超级电容器储电建筑及其制备方法 - Google Patents

一种地聚物基超级电容器储电建筑及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113436899A
CN113436899A CN202110489991.4A CN202110489991A CN113436899A CN 113436899 A CN113436899 A CN 113436899A CN 202110489991 A CN202110489991 A CN 202110489991A CN 113436899 A CN113436899 A CN 113436899A
Authority
CN
China
Prior art keywords
geopolymer
solution
electricity storage
modified
fly ash
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110489991.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113436899B (zh
Inventor
潘一帆
邝文辉
张大康
张玉露
邓波
周光星
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guangdong Zhidao Advanced Civil Engineering Materials Technology Research Co ltd
Original Assignee
Guangdong Zhidao Advanced Civil Engineering Materials Technology Research Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guangdong Zhidao Advanced Civil Engineering Materials Technology Research Co ltd filed Critical Guangdong Zhidao Advanced Civil Engineering Materials Technology Research Co ltd
Priority to CN202110489991.4A priority Critical patent/CN113436899B/zh
Publication of CN113436899A publication Critical patent/CN113436899A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113436899B publication Critical patent/CN113436899B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/10—Multiple hybrid or EDL capacitors, e.g. arrays or modules
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04B—GENERAL BUILDING CONSTRUCTIONS; WALLS, e.g. PARTITIONS; ROOFS; FLOORS; CEILINGS; INSULATION OR OTHER PROTECTION OF BUILDINGS
    • E04B1/00—Constructions in general; Structures which are not restricted either to walls, e.g. partitions, or floors or ceilings or roofs
    • E04B1/16—Structures made from masses, e.g. of concrete, cast or similarly formed in situ with or without making use of additional elements, such as permanent forms, substructures to be coated with load-bearing material
    • E04B1/167—Structures made from masses, e.g. of concrete, cast or similarly formed in situ with or without making use of additional elements, such as permanent forms, substructures to be coated with load-bearing material with permanent forms made of particular materials, e.g. layered products
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04G—SCAFFOLDING; FORMS; SHUTTERING; BUILDING IMPLEMENTS OR AIDS, OR THEIR USE; HANDLING BUILDING MATERIALS ON THE SITE; REPAIRING, BREAKING-UP OR OTHER WORK ON EXISTING BUILDINGS
    • E04G21/00—Preparing, conveying, or working-up building materials or building elements in situ; Other devices or measures for constructional work
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/26—Electrodes characterised by their structure, e.g. multi-layered, porosity or surface features
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/54—Electrolytes
    • H01G11/56—Solid electrolytes, e.g. gels; Additives therein
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/74—Terminals, e.g. extensions of current collectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/78—Cases; Housings; Encapsulations; Mountings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/84—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13—Energy storage using capacitors

Abstract

本发明公开了一种地聚物基超级电容器储电建筑及其制备方法，储电包括若干个地聚物基超级电容器、支架和混凝土层，所述地聚物基超级电容器通过连接导线形成导电连接并置于支架上，所述混凝土层将地聚物基超级电容器、支架、以及与地聚物基超级电容器连接的部分连接导线封装在内。本发明的储电建筑，具有储电性能，且储电量大，成本低。

Description

一种地聚物基超级电容器储电建筑及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑技术领域，尤其涉及一种地聚物基超级电容器储电建筑及其制备方法。
背景技术
如今，人们对开发高级结构以提高民用基础设施系统(如桥梁，建筑物，道路和能源建筑设施)的安全性和可持续性的兴趣日益浓厚。未来大规模使用的先进结构材料有望提供新的智能功能，例如建筑材料储能蓄电，即利用结构现有的材料，可减少化学电池的污染，增大储存能量。
混凝土是用于民用基础设施系统建设的最广泛使用的材料，它可以满足其机械负载的主要功能，但缺乏未来民用基础设施系统所需的电学功能。目前人们已经开发利用的混凝土电学性能集中于导电混凝土，其基本原理是导电材料部分或全部取代混凝土中的普通骨料，它是具有符合规定的电性能和一定的力学性能的特种混凝土。常规导电混凝土的做法是使用导电添加剂来诱导水泥基材料中的导电性，如碳纤维(CFs)，钢纤维，石墨烯等，这些添加剂本身是电的良导体。导电添加剂在水泥基材料中互相连接形成良导体通路而导电。目前的技术只开发了建筑材料本身的导电性能，而没有开发建筑材料的储电性能。
未来，作为城市中使用量最大的材料，结构材料还将承担其他功能，例如利用混凝土储电来收集和存储来自太阳能和风能可再生能源的电力，以缓解日益紧张的能源供应。土木工程领域需要开发结构材料的储电功能。
目前已经开发利用的混凝土电学性能几乎都没有储电性能，唯一已知利用结构材料储电的是PEDOT涂层的红砖，该方法利用化学沉积法在红砖表面沉积PEDOT导电聚合物涂层并将其制备成超级电容器以实现储电。然而，化学沉积法不易在大面积建筑表面实施，且PEDOT聚合物昂贵，土木工程领域需要技术和经济上都切实可行的储电建筑。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种地聚物基超级电容器储电建筑，具有储电性能。
本发明还要解决的技术问题在于，提供一种地聚物基超级电容器储电建筑，储电量大，成本低。
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种地聚物基超级电容器储电建筑的制备方法，工艺简单，成本低。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种地聚物基超级电容器储电建筑，包括若干个地聚物基超级电容器、支架和混凝土层，所述地聚物基超级电容器通过连接导线形成导电连接并置于支架上，所述混凝土层将地聚物基超级电容器、支架、以及与地聚物基超级电容器连接的部分连接导线封装在内；
所述地聚物基超级电容器包括地聚物基体、金属电极和电容器导线，所述金属电极设于地聚物基体内，所述电容器导线穿过地聚物基体并与金属电极形成导电连接，所述地聚物基体中含有预设数量的自由离子，可定向移动产生电流。
作为上述方案的改进，所述地聚物基体由导电浆料制成，所述导电浆料包括改性粉煤灰、改性碱激发剂和离子增强剂，所述改性粉煤灰由普通粉煤灰、NaOH和NaHCO3制成，所述改性碱激发剂由硅铁粉和硅酸钾水溶液制成，所述离子增强剂由氯化锂和氟化钠制成。
作为上述方案的改进，所述地聚物基体中设有互相连接贯通的微孔隙，所述微孔隙中存在孔隙水溶液，所述孔隙水溶液中含有预设数量的可自由移动的离子，所述孔隙水溶液为激发改性粉煤灰剩下的硅酸钾溶液成。
作为上述方案的改进，按重量份算，所述导电浆料包括56～64份改性粉煤灰、28～32份硅酸钾水溶液、3～5份硅铁粉、1～3份氯化锂和1～3份氟化钠。
作为上述方案的改进，所述改性粉煤灰的制备方法，包括：
S11、制备改性溶液，所述改性溶液由浓度为0.7～1.5mol/LNaOH溶液和浓度为0.7～1.5mol/LNaHCO3溶液组成，NaOH溶液的体积：NaHCO3溶液的体积＝(2～5)：1；
S12、将改性溶液加入到普通粉煤灰中，搅拌均匀、静置，得到混合液，其中，改性溶液的质量：普通粉煤灰的质量＝(8～15)：1；
S13、将混合液烘干和焙烧，得到改性粉煤灰。
作为上述方案的改进，所述金属电极包括正极金属和负极金属，所述电容器导线包括正极电容器导线和负极电容器导线，所述正极电容器导线与正极金属连接，所述负极电容器导线与负极金属连接。
作为上述方案的改进，所述正极金属和负极金属均为铜片或铜合金片，其中，铜合金片中含有85～90％的铜和10～15％的镍；铜片或铜合金片的电阻率小于0.12μΩ*m。
作为上述方案的改进，正极金属和负极金属之间的距离为8～13mm。
作为上述方案的改进，所述支架包括支撑柱和层板，所述支撑柱垂直与地面，所述层板与支撑柱连接，所述地聚物基超级电容器置于层板上；
所述支撑柱由钢筋制成，所述层板由钢板制成。
相应地，本发明还提供了一种上述地聚物基超级电容器储电建筑的制备方法，包括：
将支架和混凝土模板平行设置以形成容置腔；
将地聚物基超级电容器置于支架上，并用连接导线将地聚物基超级电容器形成导线连接；
将混凝土浇筑到容纳腔内，并让连接导线伸出混凝土；
养护若干天后，将混凝土模板拆除，制得地聚物基超级电容器储电建筑。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明的地聚物基超级电容器式储电建筑，可实现建筑材料储电，打破了工程结构中只利用建筑材料的力学性能，而开发利用其除导电之外的电学性能。与现有的PEDOT涂层的储电红砖相比，成本大大降低，施工技术要求低，储电量大。
本发明地聚物基超级电容器式储电建筑提供了一种绿色环保的储电方式，实现了建筑的多功能化。若与太阳能电池板或风力发电机相连，可节省大量能源，并有助于推广绿色建筑。采用常规市电亦可对其充电，可作为应急电源，应用于厂房中就可免去常规应急电源，不再产生生产常规应急电源过程中的污染。
本发明的地聚物基超级电容器的特性稳定，在高速深度充放电循环50万次至100万次后，容量和内阻仅降低10％～20％；且充放电效率高，输出密度即使只有1kW/kg，也可以获得95％以上的输出效率。
本发明的地聚物基超级电容器，能量密度测算在16～20W·h/kg之间，能量密度虽然不高，但是建筑结构体量大，若按地聚物基体的平均密度2700kg/m3计算，地聚物基体的能量密度可达到43.2～54W·h/L，地聚物基体组成的地聚物基超级电容器经充放电200次后性能无衰减。
附图说明
图1是本发明地聚物基超级电容器储电建筑的结构示意图；
图2是本发明地聚物基超级电容器的结构示意图；
图3是本发明支架的结构示意图；
图4是本发明支架和混凝土模板的设置示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。仅此声明，本发明在文中出现或即将出现的上、下、左、右、前、后、内、外等方位用词，仅以本发明的附图为基准，其并不是对本发明的具体限定。
参见图1，本发明提供的一种地聚物基超级电容器储电建筑，包括若干个地聚物基超级电容器1、支架2和混凝土层3，所述地聚物基超级电容器1通过连接导线4形成导电连接并置于支架2上，所述混凝土层3将地聚物基超级电容器1、支架2、以及与地聚物基超级电容器1连接的部分连接导线4封装在内。
优选的，所述地聚物基超级电容器储电建筑为墙体结构，但不限于此。
参见图2，所述地聚物基超级电容器1包括地聚物基体11、金属电极12和电容器导线13，所述金属电极12设于地聚物基体11内，所述电容器导线13穿过地聚物基体11并与金属电极12形成导电连接，所述地聚物基体11由导电浆料制成，所述导电浆料包括改性粉煤灰、改性碱激发剂和离子增强剂；所述地聚物基体11中含有预设数量的自由离子，可定向移动产生电流。
所述地聚物基体11中设有互相连接贯通的微孔隙，所述微孔隙中存在孔隙水溶液，所述孔隙水溶液中含有预设数量的可自由移动的离子，所述孔隙水溶液为激发改性粉煤灰剩下的硅酸钾溶液成，含有大量硅酸钾与改性粉煤灰反应后产生的离子。在外加电场的作用下，离子产生定向移动，正离子聚集在与正极相连的电极，负离子聚集在与负极相连的电极，产生电势。由于地聚物基体11本身是一种电介质，撤去外加电场后，地聚物基体11的电势仍然保留。
本发明地聚物基超级电容器的能量密度为16～20W·h/kg，在30V的直流电源充电1分钟可点亮额定电压为1.8～2.1V的LED灯泡5小时以上。
具体的，所述改性粉煤灰由普通粉煤灰、NaOH和NaHCO3制成。
所述改性粉煤灰的制备方法，包括：
S11、制备改性溶液，所述改性溶液由NaOH溶液和NaHCO3溶液组成；
S12、将改性溶液加入到普通粉煤灰中，搅拌均匀、静置，得到混合液；
S13、将混合液烘干和焙烧，得到改性粉煤灰。
普通粉煤灰中含有大量微型玻璃珠，成分为二氧化硅，结构致密，本发明改性溶液中的NaOH溶液和NaHCO3溶液可以腐蚀二氧化硅，使普通粉煤灰中的微型玻璃珠被腐蚀产生大量空洞，可以加速导电粒子的传输。
具体的，本发明由NaOH溶液和NaHCO3溶液组成的改性溶液可以破坏粉煤灰表面部分玻璃态结构和保护膜，使得改性粉煤灰的结构变得比普通粉煤灰的结构疏松多孔，形成贯通的管道，有利于带电离子的定向移动。
其中，NaOH溶液和NaHCO3溶液的浓度分别为0.7～1.5mol/L，NaOH溶液的体积：NaHCO3溶液的体积＝(2～5):1。若NaOH溶液和NaHCO3溶液的浓度小于0.7mol/L，则浓度太低，改性溶液的腐蚀能力减弱，降低改性效果，使得改性粉煤灰的孔隙率下降；若NaOH溶液和NaHCO3溶液的浓度大于1.5mol/L，则浓度太高，腐蚀效果过强，也会影响改性效果，使得改性粉煤灰的孔隙率无法有效提高。若NaOH溶液的体积：NaHCO3溶液的体积＞5:1，则NaOH溶液的含量过多，若NaOH溶液的体积：NaHCO3溶液的体积＜2:1，则NaOH溶液的含量过小，均影响改性溶液的腐蚀能力，降低改性效果，使得改性粉煤灰的孔隙率下降。
优选的，NaOH溶液和NaHCO3溶液的浓度分别为0.9～1.3mol/L，NaOH溶液的体积：NaHCO3溶液的体积＝(2.5～4):1。
更优的，NaOH溶液和NaHCO3溶液的浓度分别为1mol/L，NaOH溶液的体积：NaHCO3溶液的体积＝3:1。
其中，改性溶液的质量：普通粉煤灰的质量＝(8～15)：1。若改性溶液的质量：普通粉煤灰的质量＞15：1，则改性溶液的用量过多，改性溶液过量浪费；若改性溶液的质量：普通粉煤灰的质量＜10：1，则改性溶液的用量过少，普通粉煤灰不能完全被改性。
优选的，普通粉煤灰的质量：改性溶液的质量＝1：(9～13)。
更优的，普通粉煤灰的质量：改性溶液的质量＝1：10。
具体的，步骤S13中，将混合液置于80～90℃的烘箱中进行干燥，然后置于550～650℃的马弗炉中，保温1.5～2.5h。其中，所述马弗炉在1.5～2.5h内升温至550～650℃。
具体的，所述普通粉煤灰为一级粉煤灰。
所述改性碱激发剂由硅铁粉和硅酸钾水溶液制成。
优选的，按质量份算，所述改性碱激发剂由3～5份的硅铁粉和28～32份硅酸钾水溶液制成。
所述改性碱激发剂的制备方法包括：将3～5份硅铁粉加入28～32份硅酸钾水溶液中，搅拌均匀，得到改性碱激发剂。
本发明改性碱激发剂的原理是：硅铁粉和水可发生反应，产生大量氢气，改性碱激发剂和改性粉煤灰混合之后，氢气在浆料中形成大量微气泡，微气泡可容纳导电液体，减少导电离子传输的电阻，从而提高浆料的导电性。
具体的，本发明将硅铁粉加入到硅酸钾水溶液中，可以去除氢氧根离子并放出大量的热，从而增强硅酸钾水溶液与改性粉煤灰的聚合，同时析出氢气，在硬化的碱激发地聚物基体11中形成大量微气泡，气泡中聚集了离子水溶液，有利于带电粒子的定向移动。
其中，所述硅酸钾水溶液的模数为1.8～2.3，浓度为48％～52％；所述硅铁粉的含硅量为90％～95％，细度为300～400目。若硅铁粉中含硅量小于90％，则纯度不够，影响微气泡的数量；其中，硅铁粉越细，与水玻璃的反应越充分，形成的浆体导电性越好，但太细的话，加工后氧化快，容易失效，难以保存。
更优的，所述硅酸钾水溶液的模数为2.0，浓度为48％～52％；所述硅铁粉的含硅量为90％～95％，细度为300～400目。
本发明的改性碱激发剂需随用随配，放置约10min后失效。
所述离子增强剂由氯化锂和氟化钠制成。优选的，按质量份算，所述离子增强剂由1～3份氯化锂和1～3份氟化钠制成。
所述离子增强剂的制备方法包括：将1～3份的氯化锂和1～3份的氟化钠混合均匀，得到离子增强剂。其中，氯化锂和氟化钠为普通化学纯试剂。
本发明将氯化锂和氟化钠掺入地聚物中，释放出的锂离子和氟离子，由于其体积小，可以穿过硬化后的地聚物中形成的硅铝氧(-Si-O-Al-O-)四面体而定向移动，从而增强地聚物的导电性。
与普通的粉煤灰相比，本发明改性粉煤灰的孔隙率提高50％；与普通粉煤灰制成的地聚物相比，本发明改性粉煤灰和改性碱激发剂制成的地聚物孔隙率提高20％。
具体的，所述金属电极12包括正极金属121和负极金属122，所述电容器导线13包括正极电容器导线131和负极电容器导线132，所述正极电容器导线131与正极金属121连接，所述负极电容器导线132与负极金属122连接。
其中，所述正极电容器导线131和负极电容器导线132伸出地聚物基体1。
优选的，所述正极金属121和负极金属122均为铜片或铜合金片，具备优异的抗腐蚀性能，从而保证地聚物基超级电容器的寿命，其中，铜合金片优选为85～90％的铜和10～15％的镍制成；所述铜片或所述铜合金片的电阻率小于0.12μΩ*m，优选小于0.1μΩ*m，以保证所述超级电容的储电能力，从而保证所述大规模储电建筑结构的储电能力。
其中，正极金属121和负极金属122之间的距离为8～13mm，若正极金属121和负极金属122之间的距离小于8mm，则两电极之间的距离过近，两电极之间的地聚物基体中可自由移动离子数减少，使地聚物基超级电容器的储电能力下降；若正极金属121和负极金属122之间的距离大于13mm，则两电极之间的距离过远，两电极之间的地聚物基体中自由离子在外加电源作用下需要移动的距离过长，降低地聚物基超级电容器的充放电效率。
优选的，所述正极金属121或负极金属122与地聚物基体11平行的一侧(靠近的那一侧)的距离为2～3.5mm。
优选的，所述铜片或铜合金片为网状结构，网眼尺寸为边长1～3mm的正方形，这样可以增加金属电极与导电浆料的接触面积。
优选的，所述电容器导线13的横截面积大于或等于5.5mm2，优选大于或等于6mm2，以避免所述电容器导线13轻易熔断导致所述大规模储电建筑结构整体失效。
相应地，本发明还提供了一种上述地聚物基超级电容器的制备方法，包括：
制备导电浆料；
将金属电极置于模具中，并将电容器导线连接到金属电极上；
将导电浆料分n次浇筑到模具中，并让电容器导线伸出导电浆料，n≥1；
养护若干天后，得到所述地聚物基超级电容器。
具体的，所述模具由泡沫塑料板制成，包括底板、第一侧板和第二侧板，底板的尺寸为90mm*60mm*20mm，第一侧板的尺寸为70mm*50mm*20mm，第二侧板的尺寸为60mm*50mm*20mm，所述底板、第一侧板和第二侧板围合形成用于注入导电浆料的容纳腔。优选的，所述底板设有用于固定电极的卡槽。
优选的，n＝3。
本发明地聚物基超级电容器中的地聚物基体中含有预设数量的自由离子，可定向移动产生电流，因此可作为一种固体电解液，同时所述地聚物基体为绝缘体，可防止电接触，不再需要离子渗透膜，是一种新型的地聚物基超级电容器；此外，本发明在地聚物基体上设置金属电极，以形成多组超级电容，电极上连接有电容器导线，可以外加电源相连完成充电，与用电器相连完成放电；本发明由地聚物基体组成的地聚物基超级电容器可作为建筑材料，从而实现建筑材料的储电功能，以节省大量能源。
本发明的地聚物基体中含有互相连接贯通的微孔隙，所述微孔隙中存在孔隙水溶液(激发改性粉煤灰剩下的硅酸钾溶液)，所述孔隙水溶液中含有预设数量的可自由移动的离子。其中，导电浆料固化后28天的电阻率为≤0.2Ω·m，并具有常规地聚物不具有的储电性能。本发明的地聚物基超级电容器，能量密度测算在16～20W·h/kg之间，在30V的直流电源充电1分钟可点亮额定电压为1.8～2.1V的LED灯泡5小时以上。
本发明地聚物基超级电容器的能量密度虽然不高，但作为建筑材料，由于体量大，若按地聚物基体的平均密度2700kg/m3计算，地聚物基体的能量密度可达到43.2～54W·h/L，由地聚物基体组成的地聚物基超级电容器经充放电200次后性能无衰减。
需要说明的是，储电建筑中的多个地聚物基超级电容器的连接方式分为串联连接或并联连接，本发明不作具体限定。
优选的，所述连接导线4的横截面积大于或等于5.5mm2，优选大于或等于6mm2，以避免所述连接导线4轻易熔断导致所述储电建筑结构整体失效。
参见图3，所述支架2包括支撑柱21和层板22，所述支撑柱21垂直与地面，所述层板22与支撑柱21连接。
优选的，所述支撑柱21为钢筋，所述层板22为钢板。其中，钢筋的尺寸为
Figure BDA0003051965450000091
所述钢板的尺寸为80mm*80mm。优选的，钢板的厚度≥4mm。
为了保护地聚物基超级电容器储电建筑，防止地聚物基超级电容器储电建筑被腐蚀或水汽入侵，优选的，所述混凝土层的表面涂有疏水涂层，所述疏水涂层由疏水改性二氧化硅溶液制成。优选的，所述疏水涂层的厚度≥200μm。若疏水涂层的厚度＜200μm，则疏水涂层容易被磨损。其中，所述混凝土层由常规的混凝土制成，本发明不作具体限定。
相应地，本发明还提供了一种地聚物基超级电容器储电建筑的制备方法，包括：
将支架和混凝土模板平行设置以形成容置腔；
将地聚物基超级电容器置于支架上，并用连接导线将地聚物基超级电容器形成导线连接；
将混凝土浇筑到容纳腔内，并让连接导线伸出混凝土；
养护若干天后，将混凝土模板拆除，制得地聚物基超级电容器储电建筑。
具体的，所述支架和混凝土模板的设置方式如图4所示，支架2和混凝土模板5平行设置以形成容置腔。
发明与现有技术相比较，本发明的地聚物基超级电容器式储电建筑，可实现建筑材料储电，打破了工程结构中只利用建筑材料的力学性能，而开发利用其除导电之外的电学性能。与现有的PEDOT涂层的储电红砖相比，成本大大降低，施工技术要求低，储电量大。本技术方案是一种绿色环保的储电方式，实现了建筑的多功能化。若与太阳能电池板或风力发电机相连，可节省大量能源，并有助于推广绿色建筑。采用常规市电亦可对其充电。可作为应急电源，应用于厂房中就可免去常规应急电源，不再产生生产常规应急电源过程中的污染。
本发明的地聚物基超级电容器的特性稳定，在高速深度充放电循环50万次至100万次后，容量和内阻仅降低10％～20％；且充放电效率高，输出密度即使只有1kW/kg，也可以获得95％以上的输出效率。
本发明的地聚物基超级电容器，能量密度测算在16～20W·h/kg之间，能量密度虽然不高，但是建筑结构体量大，若按地聚物基体的平均密度2700kg/m3计算，地聚物基体的能量密度可达到43.2～54W·h/L，地聚物基体组成的地聚物基超级电容器经充放电200次后性能无衰减。
利用地聚物基体中含有的自由离子在电场中能自由定向移动的特性储存电荷，并将多个地聚物基超级电容器并联或串联形成储电建筑。储电建筑可用市电进行充电，也可与太阳能电池板或风力发电机配合使用，在日光下或有风环境下进行充电，无光或无风状态时便可用于建筑内供电，也可作为应急电源。利用该储电建筑，不需要蓄电池类装置便可实现大容量储电，是绿色环保的储电方式。
使用地聚物基超级电容器式储电建筑作为电源时，将储电建筑中的金属电极接入电路，地聚物中聚集在电极表面的离子在电势作用下定向移动，产生电流，故地聚物基超级电容器式储电建筑起到了储存电能的作用。
需要说明的是，大规模的地聚物基超级电容器式储电建筑优选与太阳能电池板或风力发电机等充电设备连接，能够节省大量能源，并有助于推广绿色建筑；同时亦可与常规市电连接，以进行充电，因此可作为应急电源使用，应用于厂房中就可免去常规应急电源，不再产生生产常规应急电源过程中的污染。
下面将以具体实施例来进一步阐述本发明
实施例1
一种地聚物基超级电容器的制备方法，包括
S1、制备导电浆料；
将56份的普通粉煤灰加入560份改性溶液中，在常温下搅拌2h后，静置30min，再放入80℃的烘箱中进行干燥，然后置于600℃的马弗炉中，保温2h，得改性粉煤灰；其中，所述改性溶液由1mol/L的NaOH溶液和1mol/L的NaHCO3溶液组成，NaOH溶液的体积：NaHCO3溶液的体积＝3:1；
将2份氯化锂和2份氟化钠混合均匀，得到离子增强剂：
将3份含硅90％、细度为300目的硅铁粉加入28份模数为2.0、浓度48％的硅酸钾水溶液中搅拌均匀，得到改性碱激发剂；
将新制备的改性碱激发剂在10min之内加入混合均匀的离子增强剂和改性粉煤灰和的混合粉料中，在1000r/min的转速下搅拌2min，得到用于制备地聚物基超级电容器的导电浆料；
S2、将电极置于模具中，并将电容器导线连接到电极上；
S3、将导电浆料分3次浇筑到模具中，并让电容器导线伸出导电浆料；
S4、养护28天后，得到所述地聚物基超级电容器。
实施例2
一种地聚物基超级电容器式混凝土墙，长1.5m、宽20cm、高2m，其制备方法包括：
S21、将支架和混凝土模板平行设置以形成容置腔，混凝土模板长1.5m、宽20cm、高2m，支架高2m，设有40块用于放置地聚物基超级电容器的层板，每块层板的尺寸为40mm*80mm，层板之间的间距为50mm；
S22、将实施例1的地聚物基超级电容器置于支架的层板上，并用连接导线将地聚物基超级电容器形成导线连接；
S23、将混凝土浇筑到容纳腔内，并让连接导线伸出混凝土；
S24、按常规方法养护混凝土后，将混凝土模板拆除，得到地聚物基超级电容器式混凝土墙。
对实施例2的地聚物基超级电容器式混凝土墙进行充分电实验，包括：
S31、将与地聚物基超级电容器负极金属相连的负极连接导线与直流电源的负极输出端相连，将与地聚物基超级电容器正极金属相连的正极连接导线与直流电源的正极输出端相连，将直流电源的输出电压固定在60V，对地聚物基超级电容器式混凝土墙进行充电，直到直流电源的输出电流基本不变为止，该充电过程持续约3分钟；
S32、将连接导线与直流电源断开；
S33、将与地聚物基超级电容器负极金属相连的负极连接导线与功率为100W的灯泡的负极输入端相连，将与地聚物基超级电容器正极金属相连的正极连接导线与功率为100W的灯泡的正极输入端相连，利用地聚物基超级电容器式混凝土墙中的储存电量对灯泡供电，灯泡持续点亮309小时。
其中，计算得到地聚物基超级电容器式混凝土墙的能量密度达到19.07W·h/kg。重复步骤S31至S33共100次，灯泡点亮时间稳定在309小时，证明地聚物基超级电容器式混凝土墙在充放电次数为100次时，充放电效率无衰减。
实施例3
一种地聚物基超级电容器式混凝土墙，长1.5m、宽20cm、高2m，其制备方法包括：
S21、将支架和混凝土模板平行设置以形成容置腔，混凝土模板长1.5m、宽20cm、高2m，支架高2m，设有40块用于放置地聚物基超级电容器的层板，每块层板的尺寸为40mm*80mm，层板之间的间距为70mm；
S22、将实施例1的地聚物基超级电容器置于支架的层板上，并用连接导线将地聚物基超级电容器形成导线连接；
S23、将混凝土浇筑到容纳腔内，并让连接导线伸出混凝土；
S24、按常规方法养护混凝土后，将混凝土模板拆除，得到地聚物基超级电容器式混凝土墙。
对实施例3的地聚物基超级电容器式混凝土墙进行充分电实验，包括：
S31、将与地聚物基超级电容器负极金属相连的负极连接导线与直流电源的负极输出端相连，将与地聚物基超级电容器正极金属相连的正极连接导线与直流电源的正极输出端相连，将直流电源的输出电压固定在60V，对地聚物基超级电容器式混凝土墙进行充电，直到直流电源的输出电流基本不变为止，该充电过程持续约3分钟；
S32、将连接导线与直流电源断开；
S33、将与地聚物基超级电容器负极金属相连的负极连接导线与功率为100W的灯泡的负极输入端相连，将与地聚物基超级电容器正极金属相连的正极连接导线与功率为100W的灯泡的正极输入端相连，利用地聚物基超级电容器式混凝土墙中的储存电量对灯泡供电，灯泡持续点亮291小时。
其中，计算得到地聚物基超级电容器式混凝土墙的能量密度达到17.96W·h/kg。重复步骤S31至S33共100次，灯泡点亮时间稳定在290小时，证明地聚物基超级电容器式混凝土墙在充放电次数为100次时，充放电效率无衰减。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种地聚物基超级电容器储电建筑，其特征在于，包括若干个地聚物基超级电容器、支架和混凝土层，所述地聚物基超级电容器通过连接导线形成导电连接并置于支架上，所述混凝土层将地聚物基超级电容器、支架、以及与地聚物基超级电容器连接的部分连接导线封装在内；
所述地聚物基超级电容器包括地聚物基体、金属电极和电容器导线，所述金属电极设于地聚物基体内，所述电容器导线穿过地聚物基体并与金属电极形成导电连接，所述地聚物基体中含有预设数量的自由离子，可定向移动产生电流。
2.如权利要求1所述的地聚物基超级电容器储电建筑，其特征在于，所述地聚物基体由导电浆料制成，所述导电浆料包括改性粉煤灰、改性碱激发剂和离子增强剂，所述改性粉煤灰由普通粉煤灰、NaOH和NaHCO3制成，所述改性碱激发剂由硅铁粉和硅酸钾水溶液制成，所述离子增强剂由氯化锂和氟化钠制成。
3.如权利要求2所述的地聚物基超级电容器储电建筑，其特征在于，所述地聚物基体中设有互相连接贯通的微孔隙，所述微孔隙中存在孔隙水溶液，所述孔隙水溶液中含有预设数量的可自由移动的离子，所述孔隙水溶液为激发改性粉煤灰剩下的硅酸钾溶液成。
4.如权利要求2所述的地聚物基超级电容器储电建筑，其特征在于，按重量份算，所述导电浆料包括56～64份改性粉煤灰、28～32份硅酸钾水溶液、3～5份硅铁粉、1～3份氯化锂和1～3份氟化钠。
5.如权利要求2所述的地聚物基超级电容器储电建筑，其特征在于，所述改性粉煤灰的制备方法，包括：
S11、制备改性溶液，所述改性溶液由浓度为0.7～1.5mol/LNaOH溶液和浓度为0.7～1.5mol/LNaHCO3溶液组成，NaOH溶液的体积：NaHCO3溶液的体积＝(2～5)：1；
S12、将改性溶液加入到普通粉煤灰中，搅拌均匀、静置，得到混合液，其中，改性溶液的质量：普通粉煤灰的质量＝(8～15)：1；
S13、将混合液烘干和焙烧，得到改性粉煤灰。
6.如权利要求1所述的地聚物基超级电容器储电建筑，其特征在于，所述金属电极包括正极金属和负极金属，所述电容器导线包括正极电容器导线和负极电容器导线，所述正极电容器导线与正极金属连接，所述负极电容器导线与负极金属连接。
7.如权利要求6所述的地聚物基超级电容器储电建筑，其特征在于，所述正极金属和负极金属均为铜片或铜合金片，其中，铜合金片中含有85～90％的铜和10～15％的镍；铜片或铜合金片的电阻率小于0.12μΩ*m。
8.如权利要求7所述的地聚物基超级电容器储电建筑，其特征在于，正极金属和负极金属之间的距离为8～13mm。
9.如权利要求7所述的地聚物基超级电容器储电建筑，其特征在于，所述支架包括支撑柱和层板，所述支撑柱垂直与地面，所述层板与支撑柱连接，所述地聚物基超级电容器置于层板上；
所述支撑柱由钢筋制成，所述层板由钢板制成。
10.一种如权利要求1～9所述的地聚物基超级电容器储电建筑的制备方法，其特征在于，包括：
将支架和混凝土模板平行设置以形成容置腔；
将地聚物基超级电容器置于支架上，并用连接导线将地聚物基超级电容器形成导线连接；
将混凝土浇筑到容纳腔内，并让连接导线伸出混凝土；
养护若干天后，将混凝土模板拆除，制得地聚物基超级电容器储电建筑。
CN202110489991.4A 2021-05-06 2021-05-06 一种地聚物基超级电容器储电建筑及其制备方法 Active CN113436899B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110489991.4A CN113436899B (zh) 2021-05-06 2021-05-06 一种地聚物基超级电容器储电建筑及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110489991.4A CN113436899B (zh) 2021-05-06 2021-05-06 一种地聚物基超级电容器储电建筑及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113436899A true CN113436899A (zh) 2021-09-24
CN113436899B CN113436899B (zh) 2022-10-14

Family

ID=77752911

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110489991.4A Active CN113436899B (zh) 2021-05-06 2021-05-06 一种地聚物基超级电容器储电建筑及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113436899B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114182596A (zh) * 2021-09-27 2022-03-15 同济大学 一种可转化储存能量的混凝土路面结构系统
CN115259756A (zh) * 2022-07-18 2022-11-01 东南大学 一种用于汽车动态感应充电的聚磁型路面材料及制备方法
EP4273898A1 (en) * 2022-05-05 2023-11-08 KayHan Swiss GmbH Polymer synthetic stones with the ability polymer synthetic stontes with the ability to store electrical energy, and their manufacturing

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1997015953A1 (de) * 1995-10-20 1997-05-01 Real, Markus Solarzellen-beton-modul
CN101104550A (zh) * 2006-07-14 2008-01-16 宁波荣山新型材料有限公司 一种建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆及其制备方法
CN105405676A (zh) * 2015-12-24 2016-03-16 同济大学 以石墨烯和水泥为材料的新型结构超级电容器及其制作
CN208271742U (zh) * 2018-06-08 2018-12-21 安徽英威腾电气设备有限公司 并联电容器组用的可调式连接机构
CN109346961A (zh) * 2018-11-27 2019-02-15 国家电网有限公司 一种混凝土浇灌的电力柜
US20190218144A1 (en) * 2018-01-12 2019-07-18 Roland J.M. Pellenq Electron Conducting Carbon-Based Cement
CN112382512A (zh) * 2020-10-29 2021-02-19 同济大学 一种有机/无机网络互穿的三维多孔结构电解质及其制备方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1997015953A1 (de) * 1995-10-20 1997-05-01 Real, Markus Solarzellen-beton-modul
CN101104550A (zh) * 2006-07-14 2008-01-16 宁波荣山新型材料有限公司 一种建筑墙体相变储能型聚合物保温砂浆及其制备方法
CN105405676A (zh) * 2015-12-24 2016-03-16 同济大学 以石墨烯和水泥为材料的新型结构超级电容器及其制作
US20190218144A1 (en) * 2018-01-12 2019-07-18 Roland J.M. Pellenq Electron Conducting Carbon-Based Cement
CN208271742U (zh) * 2018-06-08 2018-12-21 安徽英威腾电气设备有限公司 并联电容器组用的可调式连接机构
CN109346961A (zh) * 2018-11-27 2019-02-15 国家电网有限公司 一种混凝土浇灌的电力柜
CN112382512A (zh) * 2020-10-29 2021-02-19 同济大学 一种有机/无机网络互穿的三维多孔结构电解质及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
李辉 等: "NaOH激发粉煤灰基胶凝材料的水化产物", 《硅酸盐学报》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114182596A (zh) * 2021-09-27 2022-03-15 同济大学 一种可转化储存能量的混凝土路面结构系统
EP4273898A1 (en) * 2022-05-05 2023-11-08 KayHan Swiss GmbH Polymer synthetic stones with the ability polymer synthetic stontes with the ability to store electrical energy, and their manufacturing
WO2023213932A1 (en) 2022-05-05 2023-11-09 Kayhan Swiss Gmbh Polymer synthetic stones with the ability to store electrical energy, and their manufacturing
CN115259756A (zh) * 2022-07-18 2022-11-01 东南大学 一种用于汽车动态感应充电的聚磁型路面材料及制备方法
CN115259756B (zh) * 2022-07-18 2023-09-29 东南大学 一种用于汽车动态感应充电的聚磁型路面材料及制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN113436899B (zh) 2022-10-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113436899B (zh) 一种地聚物基超级电容器储电建筑及其制备方法
Liu et al. Copper hexacyanoferrate solid‐state electrolyte protection layer on Zn metal anode for high‐performance aqueous zinc‐ion batteries
CN109950494B (zh) 一种熔盐电解制备硅碳复合材料的方法
CN105006551B (zh) 一种钠离子电池磷化锡/石墨烯负极复合材料及其制备方法
CN110010895B (zh) 碳纤维负载氧化镁颗粒交联纳米片阵列复合材料及其制备方法和应用
CN104966822A (zh) 一种锂离子电池多层包覆钛酸锂负极材料及其制备方法
CN104362315A (zh) 一种锂离子电池硅碳复合负极材料低成本制备方法
CN104393290A (zh) 一种采用MoS2为正极材料的铝离子电池及其制备方法
Tian et al. A highly conductive gel electrolyte with favorable ion transfer channels for long-lived zinc–iodine batteries
CN103904356A (zh) 一种可充电化学储能器件及其用途
CN112635709B (zh) 钠离子电池负极sei膜形成剂及预钠化方法、钠离子电池
CN107293715A (zh) 一种锂硫电池正极用S/CNT‑CeO2复合材料的制备方法
CN112002875A (zh) 一种通信用高倍率铅蓄电池
CN113436908B (zh) 一种结构超级电容器及其制备方法
CN113436907B (zh) 一种地聚物基超级电容器及其制备方法
CN109360947B (zh) 一种准固态锂硫电池的多孔碳正极材料的制备方法
Chen et al. Emerging solutions to enable the efficient use of sodium metal anodes: Progress and perspectives
CN102891285A (zh) 一种铅酸电池负极及其制备方法
CN101969143A (zh) 一种纳米高能免维护铅酸蓄电池的制备方法
CN108923033A (zh) 一种基于相转移法的锂硫电池多孔碳正极材料的制备方法
CN110911630A (zh) 一种高孔隙率锂离子电池极片及其制备方法
CN215265954U (zh) 一种大规模储电建筑结构
CN105070920A (zh) 一种耐高低温长寿命铅酸蓄电池
Yang et al. Uniform Li Plating/Stripping within Ni Macropore Arrays Enabled by Regulated Electric Field Distribution for Ultra-Stable Li-Metal Anodes
CN107302086A (zh) 一种氧化钛包覆钠离子三元正极材料的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant