该多功能金属复合网展现了优异的太阳光吸收性能（吸光率：~94%）以及导电性能（电导率：~6622 S／cm）

栏目：新闻资讯发布时间：2024-01-31

原创 Cell Press CellPress细胞科学收录于合集#Cell Press论文速递 501 个 #Matter 153 个物质科学Physical science2023年10月16日，上海交通

原创 Cell Press CellPress细胞科学收录于合集#Cell Press论文速递 501 个 #Matter 153 个

物质科学

Physical science

2023年10月16日，上海交通大学邓涛/陶鹏团队在Cell Press细胞出版社期刊Matter上发表了题为“Rapid large-capacity storage of renewable solar-/electro-thermal energy within phase change materials by bioinspired multifunctional meshes”的最新研究成果。该研究报道了一种移动式快速光/电热充能策略，通过模仿蝶翅结构制备出多功能金属网，在保证相变材料的高储能密度的前提下，实现了高效的光-热(~90.1%)以及电-热(~86.1%)充能，并展示了其在便携式供暖和规模化高温可再生储热领域的应用前景。

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热能存储具有成本低廉、技术成熟度高、易于规模化应用等优势，为太阳能和光伏/风电等可再生能源的不稳定性提供了极具竞争力的解决方案。其中，固-液相变储热因具有储热容量大、充放热温度稳定、有机和无机储热材料来源，而广泛备受关注。然而，这类相变材料存在太阳能/电-热转换能力差、导热率低等缺点，以往通过负载大量纳米填料来提升材料吸光、导电以及导热性能的研究方案，通常牺牲了相变材料的高储能密度、增加了储能成本。因此，如何实现在兼顾储能密度、储能成本的前提下，实现快速、高效、规模化固-液相变储热是可再生能源利用需要解决的关键问题。

鉴于此，上海交通大学邓涛/陶鹏团队报道了一种适用于低温和中高温固-液相变材料快速存储可再生太阳能光热/电-热的简便策略（如图1所示）。该方案使用仿生多功能金属网作为移动式充能器，在充热过程中动态推动固-液相变界面持续前进，突破了传统静态充能缓慢传热的限制，实现了快速连续式固-液相变和热能存储，保持了相变材料原有的高储能密度。该移动式网状多功能充能器展现了稳定的光/电-热转换性能、高温稳定性、耐腐蚀性能和规模化低成本制备优势，移动式充能策略可广泛适用于有机石蜡、熔盐等商用相变材料体系，在便携式供暖以及大规模高温工业供热等领域具有重要应用潜力。

图1. 移动式动态光/电热充能示意图

仿生多功能金属网的制备

受启发于巴黎翠凤蝶的表面结构，该工作在Fe-Cr-Al金属网表面涂敷了一层粗糙超疏水PDSM-graphite涂层，同步提升Fe-Cr-Al金属网吸光性能以及耐腐蚀性能。作为新型移动式高效光/电-热充能器，该多功能金属复合网展现了优异的太阳光吸收性能（吸光率：~94%）以及导电性能（电导率：~6622 S/cm）。

图2. 仿生多功能金属网的制备以及性能表征

移动式电-热储存性能

传统的静态固-液充能方式，一般包括表面充能以及整体充能。其中，表面充能受限于相变材料较低的热导率，热能的长距离传输受限，导致热能存储速率逐渐降低；而随着相变材料体积的增加，整体充能会表现出较慢的热响应速率，限制了间歇性可再生热能的收集与存储。移动式充能缩短了热传输距离，可直接在固-液相界面实现电-热能量转换，持续推动固-液界面定向运动高效相变储热，并且Fe-Cr-Al复合网的高导电率可以实现低电压驱动充能。在相同电压输入（输入电压：1 V）条件下，移动式电热充能系统表现出最快的充热速率（3.7 mm/min）、热响应速率（<1 min）、均匀的温度分布和优异的固-液相变电-热存储效率（~86.1%）。

图3. 静态以及移动式电-热充能模式下的储热性能对比

移动式光-热储存性能

得益于Fe-Cr-Al复合网的高吸光率以及熔化相变材料的高透光性，入射的太阳光可以在固-液相界面处进行高效光-热转化，伴随着相变材料的不断熔化，移动式充能器持续推进充热界面，实现持续性高效、快速、大容量太阳能固-液相变储热。在相同光照（功率密度：500 mW/cm2）条件下，移动式充能展现出最佳的充热速率（1.1 mm/min）、最快的热响应(<4 min)、均匀的温度分布和优异的固-液相变储热效率（90.1%）。

图4. 静态以及移动式光-热充能模式下的储热性能对比

规模化光/电-热储存

该工作进一步探究了在大体积固-液相变材料中同步储存光/电-热能性能。研究发现，移动式充能策略仍表现出大充能速率、高相变储能密度、快热响应性以及良好的循环稳定性，展示了其在规模化可再生热能存储领域的应用潜力。

图5. 规模化移动式光/电-热存储性能

便携式供热和高温供热的应用

结合多功能金属网的驱动电压低和太阳光吸收率高特征，该工作展示了利用干电池和自然光照进行移动式充能实现便携式供热的应用潜力。利用多功能金属网的高温稳定性和抗盐腐蚀能力，该工作进一步展示了移动式充能系统一体化收集聚光太阳能/可再生电能和高温熔盐固-液相变储热的应用潜能。

图6. 便携式和高温的光/电-热储能应用

总结和展望

该工作提出了一种移动式太阳能/电-热充能策略，采用生物启发的多功能金属复合网作为移动式充能器，实现了固-液相变材料的快速、高效和规模化储热。在移动式充能过程中，该多功能金属网能够动态推动固-液熔化界面，在保证高储热容量的前提下，实现可再生热持续、高效的存储。移动式充能技术具有充能速率快且稳定、热响应快、温度分布均匀、驱动电压低、潜热容量大、成本低等优点，为可再生热能高效与快速存储提供了极具潜力的解决方案。

论文第一作者是上海交通大学博士研究生李潇翔，通讯作者为上海交通大学邓涛教授和陶鹏教授。