崔屹,刚发完Nature,又发Nature Sustainability!

刚发完Nature

对下一代能源存储系统的需求日益增长,高性能锂电池的发展势在必行。然而,由于固体-电解质界面的连续产生和死Li(i-Li)的形成,导致目前锂负极在循环过程存在容量衰减快、寿命短等问题。其中,由于i-Li失去了与集流体的直接电接触,因此被认为在电池中电化学惰性的。

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2021年12月22日,斯坦福大学崔屹教授等人会针对i-Li是否对电化学过程有反应提出了疑问。结果表明,i-Li对电池运行高度敏感,在电解液的电场作用下会发生i-Li的动态极化。Li的沉积和溶解同时发生在i-Li的两端,导致i-Li在充、放电过程中向阴极(阳极)方向迁移。模拟结果表明,i-Li的迁移速率主要受其长度、取向和外加电流密度的影响。相关工作以《Dynamic spatial progression of isolated lithium during battery operations》为题在《Nature》上发表论文。内容介绍,详见链接:崔屹,再发Nature!

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又发Nature Sustainability

建筑是当今社会重要的能源使用者,节能建筑在可持续发展方面发挥着越来越重要的作用。

在美国,超过76%的电力和40%的能源被用于各类建筑,导致每年产生超过4300亿美元的成本以及大量的全球温室气体排放。建筑的采暖、通风和空调(HVAC)系统占建筑能耗的40%左右,直接关系到建筑的采暖和制冷需求。这种巨大的能源消耗正在造成严重的环境和经济问题。因此,必须发展科技创新,以提高建筑HVAC系统的能源效率,同时减少碳排放。
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2021年12月23日,斯坦福大学崔屹教授等人开发了一种用于建筑墙体热围护结构的彩色低辐射薄膜,为全年建筑供暖和制冷节能提供了解决方案。这些彩色低辐射薄膜旨在同时实现热调节和审美需求,可作为新建筑和现有建筑围护结构改造的灵活选择。作者证明了这种薄膜在红外波长范围具有高的反射率(~90%),同时在可见光波长范围内可选择性地反射,以获得所需要的颜色。这些薄膜有助于减少室内外环境之间的辐射热交换,从而在满足所需的美学效果的同时,为全年的制冷和制热节省能源。模拟结果表明,这些薄膜可以帮助减少热量的获得和损失。此外,薄膜易于清洁和更换,表明这种设计具有潜在的实用价值,可以加速向可持续建筑选择的转变。
相关工作以《Coloured low-emissivity films for building envelopes for year-round energy savings》为题在《Nature Sustainability》上发表论文。

图文导读

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图1 概念图解
根据太阳光谱和热辐射光谱设计了彩色低辐射薄膜的光学特性。如图1中所示,可见光(400-700 nm)和近红外光(700 nm-2.5 μm)约占太阳能的45%和49%,而分别从建筑、物体和人体的热辐射主要为7-14 μm的中红外光。设计原则是在外观色彩清晰的前提下,尽量减少建筑室内环境与室外环境之间的辐射热交换。
因此,彩色低辐射薄膜被设计成具有光谱选择性,如图1b所示。在可见光波长范围内,只有反射所需颜色的光,才能实现审美功能。在中红外光波长范围内,薄膜具有高度的反射性,以减少与环境的辐射热交换。
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图2 彩色低辐射薄膜的制备与表征
彩色低辐射薄膜的制作过程如图2所示。在这,采用了使用层状双分子层的策略来实现理想的光学性能。顶层设计用于选择性吸收与所需颜色互补的可见波长,同时对红外光波长高度透明。底层强烈地反射了透射的红外光线。由于反向散射的红外光被顶层吸收较弱,因此双层结构具有较高的红外反射率。
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图3 彩色低辐射薄膜的可视化热效应
利用热像仪观测了低辐射彩色薄膜的高红外反射率所产生的热效应。如图3所示,两块相同的塑料板放在同一个热板上。一个被低辐射蓝色薄膜覆盖,而另一个被涂上了商业蓝色涂料。它们的可见颜色看起来非常相似,但温度稳定后的热像有显著差异。在热成像相机下,商业蓝色涂料显示出较高的表面温度。相比之下,低辐射蓝色薄膜显示出弱的热辐射。
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图4 热力性能测试
为了进一步研究彩色低辐射薄膜的热性能,在人工冷热环境下对建筑模拟物进行了测试。研究了40℃环境下的室内防热性能。先将建筑模拟物在室温(~23.5℃)下稳定,然后将其转移到40℃环境中,并开启室内温度记录。
使用蓝色低辐射薄膜的建筑模拟物与使用蓝色涂料的建筑模拟物、空白组相比,明显显示出延迟的温度上升趋势。在达到平衡之前,对于蓝色低辐射薄膜的模拟物,Tindoor较低。例如,在500秒时,Tindoor的测量值比其他两个测试低约3.5°C。
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图5 模拟每年的热传递损耗和建筑节能评估
总之,本文我们开发了一类彩色低辐射薄膜,它同时展示了热力特性与美学特性,为节能建筑和环境可持续发展提供一种新的材料选择。它不仅可以选择性地反射所需的可见颜色,还能以高达90%的红外反射率来有效地减少冷暖天气与周围环境的辐射热交换。此外,如果薄膜能在冬季表现出自适应的高近红外吸收率,以最大限度地利用太阳能加热,则可以达到更大的节能效果。模拟验证了通过墙壁减少传热的效果,并评估了安装该薄膜的节能性能。热量传递减少量和HVAC节能取决于天气环境和墙体原有保温条件;因此,不同城市的模拟建筑的数值不同。
在模拟中观察到,传热减少和节能与原墙体保温之间存在负相关关系,当墙体保温原本很好时,辐射热传递减少的效果便不明显。而且,环境条件也起着重要的作用,这是不容忽视的。在实际应用中应考虑到这些因素。这些薄膜具有适当的疏水性、良好的力学性能和耐候性能,为现有和新建筑提供了灵活的解决方案,最大限度地减少室内外环境之间的辐射热交换,实现全年节能,同时满足必要的审美需求。作者相信这种彩色低辐射薄膜在节能建筑应用中具有广阔前景,可以为全球碳中和和可持续发展做出贡献。

文献信息

Coloured low-emissivity films for building envelopes for year-round energy savings,Nature Sustainability,2021.

https://www.nature.com/articles/s41893-021-00836-x

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