四川大學傅強教授/吳凱副研究員團隊報道了一種基于“定構”的策略實現了聚光相變儲熱技術的可控熱管理，通過誘導相變材料（PCMs）內部導熱網絡的多向取向，賦予了傳統PCMs“快速”、“均勻”、“可控”的傳熱特點，將日常生活中最常見的太陽光源源不斷地轉換成熱能和電能。相關研究成果在線發表于材料領域優秀期刊ACS Nano上。

圖1 聚光相變儲熱技術的概念和器件示意圖

熱電技術可以將太陽光的熱能通過熱電效應轉化成電能，被認為是俘獲/存儲/利用清潔太陽能的一種重要技術。特別地，將熱電技術以聚光的形式集成到相變儲能材料上，而不是直接將入射的太陽光設置在熱電裝置上，具有諸多的優點（圖1）：（1）利用PCMs巨大的相變潛熱，可以持續不斷地為電子器件提供電能，而不會受到天氣變化/光照強度浮動的影響；（2）聚光技術的受熱面積小，減小了與外界環境的換熱面積，有利于充分利用太陽能并有效降低熱損失。然而，這種聚光相變儲熱技術的挑戰則是：聚光處熱源處的熱量發生聚集，無法有效地傳導至PCMs整體，被完善地吸收和存儲。這一問題的本質是PCMs的導熱系數低、傳熱路徑不可控，導致PCMs傳熱路徑短、傳熱速度慢、傳熱不均勻。

圖2 聚光相變材料聲子導熱結構的“定構”過程。

針對上述問題，在本文中，我們從冰晶生長熱力學和動力學出發，可控誘導氮化硼三維骨架的“overlapped interconnection”和“radial orientation”（圖2），解決了過去導熱材料面內方向和垂直方向導熱系數無法同時提升的難題，同時賦予了PCMs材料“定構傳熱”的效果：如圖3，聚光處的熱量可通過定構的氮化硼聲子網絡定向、可控地傳遞到整個PCMs，具有快速、均勻、可控的傳熱特點，從而能夠將入射的太陽光產生的熱量充分地被PCMs吸收和轉化。我們在2020年的冬天（2月24日），在我國光照強度比較低的一個城市（四川綿陽）開展了實地的光-熱-電轉換實驗，在沒有較強光照的條件下，這種聚光相變儲熱器件就能產生40 W/m2的電能，遠遠超出了同類型的相變儲熱文獻報道的效果。

圖3 聚光相變儲熱技術的可控傳熱效果與光-熱-電轉換。

該技術仍存在很多不足。例如：（1）受限于較低的導熱系數，傳熱路徑無法達到“米”的水平，器件無法被進一步放大；（2）整個器件在設計的過程中，諸多環節造成的熱損失仍然較大；（3）材料的制備無法規模化，離實際應用還有一段距離。因此，這個體系的研究工作我們也正在不斷地改進和完善。但我們相信，這種聚光相變儲熱技術，還是有望為高效利用清潔太陽能、緩解能源/環境等問題提供一些新的思考和啟發。

本文來源：ACS Nano，高分子科學前沿，轉載在于傳遞更多行業信息，如有不適，請聯系我們，謝謝。

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