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近日，上海交大制冷與低溫工程研究所教授王如竹和研究員李廷賢領銜的“能源-空氣-水”ITEWA創新團隊（Innovative Team for Energy,Water&Air）與材料學院鄧濤教授跨學科合作，在國際能源領域期刊Nano Energy上發表了題目為“Highly Conductive Phase Change Composites Enabled by Vertically-Aligned Reticulated Graphite Nanoplatelets for High-Temperature Solar Photo/Electro-Thermal Energy Conversion,Harvesting and Storage”的研究論文。論文提出了基于垂直陣列網狀石墨納米骨架的高導熱/導電的功能型相變儲熱復合材料的制備方法和太陽能光/電-熱轉換、收集及存儲的一體化相變儲能裝置的協同強化熱設計新思路。論文第一作者是李廷賢和博士研究生吳閩強，通訊作者是李廷賢、鄧濤和王如竹。

圖1.基于功能(neng)型(xing)相變儲(chu)熱復合材料(liao)的(de)太陽能(neng)光/電-熱轉換與存儲(chu)

為進一(yi)步提高(gao)太陽(yang)能(neng)(neng)光-熱(re)(re)(re)相(xiang)(xiang)變(bian)儲(chu)能(neng)(neng)性能(neng)(neng)和(he)拓展相(xiang)(xiang)變(bian)儲(chu)能(neng)(neng)模(mo)式，通(tong)過添加吸光材(cai)料(liao)(liao)和(he)導(dao)(dao)電材(cai)料(liao)(liao)制備功(gong)能(neng)(neng)型相(xiang)(xiang)變(bian)儲(chu)熱(re)(re)(re)復(fu)合材(cai)料(liao)(liao)，進而實現光/電-熱(re)(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)與存(cun)儲(chu)的(de)一(yi)體化(hua)儲(chu)能(neng)(neng)技(ji)(ji)術成(cheng)為研究(jiu)熱(re)(re)(re)點。然而，由于缺乏(fa)有效(xiao)的(de)能(neng)(neng)量(liang)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)和(he)傳(chuan)熱(re)(re)(re)耦合設計，導(dao)(dao)致光/電-熱(re)(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)時的(de)能(neng)(neng)量(liang)損失較(jiao)大，現有的(de)光/電-熱(re)(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)功(gong)能(neng)(neng)型相(xiang)(xiang)變(bian)復(fu)合材(cai)料(liao)(liao)具有導(dao)(dao)熱(re)(re)(re)/導(dao)(dao)電系數低、能(neng)(neng)量(liang)傳(chuan)輸慢、相(xiang)(xiang)變(bian)溫度低、能(neng)(neng)量(liang)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)效(xiao)率低的(de)局限。因(yin)此開(kai)發高(gao)性能(neng)(neng)的(de)功(gong)能(neng)(neng)型相(xiang)(xiang)變(bian)儲(chu)熱(re)(re)(re)復(fu)合材(cai)料(liao)(liao)對發展新型的(de)高(gao)效(xiao)光-熱(re)(re)(re)、電-熱(re)(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)與存(cun)儲(chu)技(ji)(ji)術具有重(zhong)要的(de)研究(jiu)意義和(he)應用價值。

圖2.基(ji)于垂直陣列石墨納米骨架(jia)的(de)高導熱/導電的(de)功(gong)能型相變(bian)材(cai)料及(ji)光(guang)/電-熱轉換與存儲

論文采(cai)用(yong)壓力誘導自組裝方法(fa)制備了(le)(le)固(gu)-固(gu)相(xiang)(xiang)變(bian)(bian)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)季戊四醇(chun)為儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)介質(zhi)的(de)(de)(de)高導熱(re)(re)(re)(re)(re)/導電的(de)(de)(de)功(gong)能(neng)型(xing)相(xiang)(xiang)變(bian)(bian)儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)復合(he)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)。通(tong)過構建理論模型(xing)分析(xi)了(le)(le)相(xiang)(xiang)變(bian)(bian)儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)復合(he)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)界面(mian)光(guang)(guang)(guang)(guang)-熱(re)(re)(re)(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)、熱(re)(re)(re)(re)(re)量(liang)(liang)損失(shi)、能(neng)量(liang)(liang)傳輸與(yu)(yu)存(cun)儲(chu)(chu)(chu)過程(cheng)，采(cai)用(yong)串(chuan)/并聯模型(xing)分析(xi)了(le)(le)集(ji)(ji)熱(re)(re)(re)(re)(re)溫度與(yu)(yu)儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)驅(qu)動溫差的(de)(de)(de)關聯特性。在(zai)此基礎上提出了(le)(le)旨在(zai)提高相(xiang)(xiang)變(bian)(bian)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)光(guang)(guang)(guang)(guang)-熱(re)(re)(re)(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)效(xiao)率(lv)和儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)能(neng)力的(de)(de)(de)協(xie)(xie)同強化策略，即通(tong)過協(xie)(xie)調相(xiang)(xiang)變(bian)(bian)儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)復合(he)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)內部石墨(mo)納米片陣(zhen)列取向(xiang)與(yu)(yu)太(tai)陽(yang)能(neng)光(guang)(guang)(guang)(guang)-熱(re)(re)(re)(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)及熱(re)(re)(re)(re)(re)量(liang)(liang)傳遞方向(xiang)的(de)(de)(de)一致性來(lai)降低(di)相(xiang)(xiang)變(bian)(bian)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)表面(mian)的(de)(de)(de)集(ji)(ji)熱(re)(re)(re)(re)(re)溫度，從而降低(di)太(tai)陽(yang)能(neng)光(guang)(guang)(guang)(guang)-熱(re)(re)(re)(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)與(yu)(yu)存(cun)儲(chu)(chu)(chu)過程(cheng)中的(de)(de)(de)輻射及對流熱(re)(re)(re)(re)(re)損失(shi)，提高太(tai)陽(yang)能(neng)光(guang)(guang)(guang)(guang)-熱(re)(re)(re)(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)存(cun)儲(chu)(chu)(chu)效(xiao)率(lv)。同時，該協(xie)(xie)同增強策略也可提高相(xiang)(xiang)變(bian)(bian)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)電-熱(re)(re)(re)(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)效(xiao)率(lv)與(yu)(yu)熱(re)(re)(re)(re)(re)量(liang)(liang)傳遞及存(cun)儲(chu)(chu)(chu)，從而實現基于功(gong)能(neng)型(xing)相(xiang)(xiang)變(bian)(bian)儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)復合(he)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)太(tai)陽(yang)能(neng)光(guang)(guang)(guang)(guang)-熱(re)(re)(re)(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)與(yu)(yu)存(cun)儲(chu)(chu)(chu)和可再生能(neng)源(yuan)風/光(guang)(guang)(guang)(guang)-電-熱(re)(re)(re)(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)換(huan)(huan)(huan)與(yu)(yu)存(cun)儲(chu)(chu)(chu)。

圖3基于(yu)協(xie)同增強效應的高(gao)效光/電-熱相變儲能

研究工(gong)作(zuo)中所制備的(de)復合材料熱(re)導(dao)率和(he)電導(dao)率在石墨(mo)納(na)米(mi)片(pian)含量(liang)(liang)(liang)25 wt%時分別高(gao)達33.5 W/mK和(he)323 S/cm；研究在上述基礎上進一步提(ti)出了能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)收集(ji)與(yu)傳(chuan)輸(shu)的(de)協(xie)(xie)同增(zeng)(zeng)強策略(lve)，通過協(xie)(xie)調石墨(mo)納(na)米(mi)陣(zhen)列取(qu)向與(yu)熱(re)能(neng)(neng)傳(chuan)遞(di)方向或電流方向，防止了相(xiang)變材料的(de)表面集(ji)熱(re)過熱(re)問題、降(jiang)低(di)了能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)損失(shi)、加速了相(xiang)變材料的(de)光/電-熱(re)能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)轉換(huan)(huan)、收集(ji)、傳(chuan)輸(shu)與(yu)存儲，從而成功(gong)實現了無聚光條件下(xia)，相(xiang)變溫(wen)(wen)度高(gao)達186 oC的(de)太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)“光-熱(re)轉換(huan)(huan)-傳(chuan)輸(shu)-存儲”的(de)直接式一體化高(gao)溫(wen)(wen)儲能(neng)(neng)，以(yi)及超(chao)低(di)電壓(<0.34 V)驅動的(de)高(gao)效電-熱(re)轉換(huan)(huan)與(yu)存儲（>92%）。該(gai)工(gong)作(zuo)提(ti)出的(de)基于垂直陣(zhen)列石墨(mo)納(na)米(mi)骨(gu)架的(de)高(gao)導(dao)熱(re)/導(dao)電的(de)功(gong)能(neng)(neng)型相(xiang)變材料和(he)能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)轉換(huan)(huan)與(yu)傳(chuan)輸(shu)的(de)協(xie)(xie)同增(zeng)(zeng)強方法，為相(xiang)變材料的(de)高(gao)效太(tai)陽(yang)光/電-熱(re)轉換(huan)(huan)、存儲和(he)利用提(ti)供了新思(si)路。

王如竹領銜的(de)ITEWA團隊致(zhi)力于解(jie)(jie)決能源、水、空氣領域的(de)前沿基(ji)礎(chu)性科(ke)學(xue)(xue)問題和關鍵技(ji)術(shu)，旨在通過(guo)學(xue)(xue)科(ke)交(jiao)叉(cha)實現材料-器件-系統層面的(de)整體解(jie)(jie)決方(fang)案，推動(dong)相(xiang)關領域取得(de)突破性進展(zhan)。近年來在Joule、Energy&Environmental Science、Advanced Material、ACS Energy Letters、Angewandte Chemie-Int Ed、ACS Central Science、Nano Energy、Energy Storage Materials等期刊上發表系列跨學(xue)(xue)科(ke)交(jiao)叉(cha)論文。