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.基于功能型相變儲熱復合材料的太陽能光/電-熱轉換與存儲

為進一步提高太陽能光-熱相變儲能性能和拓展相變儲能模式，通過添加吸光材料和導電材料制備功能型相變儲熱復合材料，進而實現光/電-熱轉換與存儲的一體化儲能技術成為研究熱點。然而，由于缺乏有效的能量轉換和傳熱耦合設計，導致光/電-熱轉換時的能量損失較大，現有的光/電-熱轉換功能型相變復合材料具有導熱/導電系數低、能量傳輸慢、相變溫度低、能量轉換效率低的局限。因此開發高性能的功能型相變儲熱復合材料對發展新型的高效光-熱、電-熱轉換與存儲技術具有重要的研究意義和應用價值。

圖2.基于垂直陣列石墨納米骨架的高導熱/導電的功能型相變材料及光/電-熱轉換與存儲

論文采用壓力誘導自組裝方法制備了固-固相變材料季戊四醇為儲熱介質的高導熱/導電的功能型相變儲熱復合材料。通過構建理論模型分析了相變儲熱復合材料的界面光-熱轉換、熱量損失、能量傳輸與存儲過程，采用串/并聯模型分析了集熱溫度與儲熱驅動溫差的關聯特性。在此基礎上提出了旨在提高相變材料光-熱轉換效率和儲熱能力的協同強化策略，即通過協調相變儲熱復合材料內部石墨納米片陣列取向與太陽能光-熱轉換及熱量傳遞方向的一致性來降低相變材料表面的集熱溫度，從而降低太陽能光-熱轉換與存儲過程中的輻射及對流熱損失，提高太陽能光-熱轉換存儲效率。同時，該協同增強策略也可提高相變材料的電-熱轉換效率與熱量傳遞及存儲，從而實現基于功能型相變儲熱復合材料的太陽能光-熱轉換與存儲和可再生能源風/光-電-熱轉換與存儲。

圖3基于協同增強效應的高效光/電-熱相變儲能

研究工作中所制備的復合材料熱導率和電導率在石墨納米片含量25 wt%時分別高達33.5 W/mK和323 S/cm；研究在上述基礎上進一步提出了能量收集與傳輸的協同增強策略，通過協調石墨納米陣列取向與熱能傳遞方向或電流方向，防止了相變材料的表面集熱過熱問題、降低了能量損失、加速了相變材料的光/電-熱能量轉換、收集、傳輸與存儲，從而成功實現了無聚光條件下，相變溫度高達186 oC的太陽能“光-熱轉換-傳輸-存儲”的直接式一體化高溫儲能，以及超低電壓(<0.34 V)驅動的高效電-熱轉換與存儲（>92%）。該工作提出的基于垂直陣列石墨納米骨架的高導熱/導電的功能型相變材料和能量轉換與傳輸的協同增強方法，為相變材料的高效太陽光/電-熱轉換、存儲和利用提供了新思路。

王如竹領銜的ITEWA團隊致力于解決能源、水、空氣領域的前沿基礎性科學問題和關鍵技術，旨在通過學科交叉實現材料-器件-系統層面的整體解決方案，推動相關領域取得突破性進展。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科交叉論文。