构建高导热/导电相变材料实现太阳能光/电热转换、收集及存储的协同强化新策略

近日，上海交大制冷与低温工程研究所教授王如竹和研究员李廷贤领衔的“能源-空气-水”ITEWA创新团队（Innovative Team for Energy, Water & Air）与材料学院邓涛教授跨学科合作，在国际能源领域期刊Nano Energy上发表了题目为“Highly Conductive Phase Change Composites Enabled by Vertically-Aligned Reticulated Graphite Nanoplatelets for High-Temperature Solar Photo/Electro-Thermal Energy Conversion, Harvesting and Storage”的研究论文。论文提出了基于垂直阵列网状石墨纳米骨架的高导热/导电的功能型相变储热复合材料的制备方法和太阳能光/电-热转换、收集及存储的一体化相变储能装置的协同强化热设计新思路。论文第一作者是李廷贤和博士研究生吴闽强，通讯作者是李廷贤、邓涛和王如竹。

图1. 基于功能型相变储热复合材料的太阳能光/电-热转换与存储

为进一步提高太阳能光-热相变储能性能和拓展相变储能模式，通过添加吸光材料和导电材料制备功能型相变储热复合材料，进而实现光/电-热转换与存储的一体化储能技术成为研究热点。然而，由于缺乏有效的能量转换和传热耦合设计，导致光/电-热转换时的能量损失较大，现有的光/电-热转换功能型相变复合材料具有导热/导电系数低、能量传输慢、相变温度低、能量转换效率低的局限。因此开发高性能的功能型相变储热复合材料对发展新型的高效光-热、电-热转换与存储技术具有重要的研究意义和应用价值。

图2. 基于垂直阵列石墨纳米骨架的高导热/导电的功能型相变材料及光/电-热转换与存储

论文采用压力诱导自组装方法制备了固-固相变材料季戊四醇为储热介质的高导热/导电的功能型相变储热复合材料。通过构建理论模型分析了相变储热复合材料的界面光-热转换、热量损失、能量传输与存储过程，采用串/并联模型分析了集热温度与储热驱动温差的关联特性。在此基础上提出了旨在提高相变材料光-热转换效率和储热能力的协同强化策略，即通过协调相变储热复合材料内部石墨纳米片阵列取向与太阳能光-热转换及热量传递方向的一致性来降低相变材料表面的集热温度，从而降低太阳能光-热转换与存储过程中的辐射及对流热损失，提高太阳能光-热转换存储效率。同时，该协同增强策略也可提高相变材料的电-热转换效率与热量传递及存储，从而实现基于功能型相变储热复合材料的太阳能光-热转换与存储和可再生能源风/光-电-热转换与存储。

图3 基于协同增强效应的高效光/电-热相变储能

研究工作中所制备的复合材料热导率和电导率在石墨纳米片含量25 wt%时分别高达33.5 W/mK和323 S/cm；研究在上述基础上进一步提出了能量收集与传输的协同增强策略，通过协调石墨纳米阵列取向与热能传递方向或电流方向，防止了相变材料的表面集热过热问题、降低了能量损失、加速了相变材料的光/电-热能量转换、收集、传输与存储，从而成功实现了无聚光条件下，相变温度高达186 oC的太阳能 “光-热转换-传输-存储”的直接式一体化高温储能，以及超低电压(<0.34 V)驱动的高效电-热转换与存储（>92%）。该工作提出的基于垂直阵列石墨纳米骨架的高导热/导电的功能型相变材料和能量转换与传输的协同增强方法，为相变材料的高效太阳光/电-热转换、存储和利用提供了新思路。

王如竹领衔的ITEWA团队致力于解决能源、水、空气领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展。近年来在Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Material、ACS Energy Letters、Angewandte Chemie-Int Ed、ACS Central Science、Nano Energy、Energy Storage Materials 等期刊上发表系列跨学科交叉论文。

来源：上海交通大学

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106338