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崔屹,剛發完Nature,又發Nature Sustainability!

剛發完Nature

對下一代能源存儲系統的需求日益增長,高性能鋰電池的發展勢在必行。然而,由于固體-電解質界面的連續產生和死Li(i-Li)的形成,導致目前鋰負極在循環過程存在容量衰減快、壽命短等問題。其中,由于i-Li失去了與集流體的直接電接觸,因此被認為在電池中電化學惰性的。

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2021年12月22日,斯坦福大學崔屹教授等人會針對i-Li是否對電化學過程有反應提出了疑問。結果表明,i-Li對電池運行高度敏感,在電解液的電場作用下會發生i-Li的動態極化。Li的沉積和溶解同時發生在i-Li的兩端,導致i-Li在充、放電過程中向陰極(陽極)方向遷移。模擬結果表明,i-Li的遷移速率主要受其長度、取向和外加電流密度的影響。相關工作以《Dynamic spatial progression of isolated lithium during battery operations》為題在《Nature》上發表論文。內容介紹,詳見鏈接:崔屹,再發Nature!

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又發Nature Sustainability

建筑是當今社會重要的能源使用者,節能建筑在可持續發展方面發揮著越來越重要的作用。

在美國,超過76%的電力和40%的能源被用于各類建筑,導致每年產生超過4300億美元的成本以及大量的全球溫室氣體排放。建筑的采暖、通風和空調(HVAC)系統占建筑能耗的40%左右,直接關系到建筑的采暖和制冷需求。這種巨大的能源消耗正在造成嚴重的環境和經濟問題。因此,必須發展科技創新,以提高建筑HVAC系統的能源效率,同時減少碳排放。
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2021年12月23日,斯坦福大學崔屹教授等人開發了一種用于建筑墻體熱圍護結構的彩色低輻射薄膜,為全年建筑供暖和制冷節能提供了解決方案。這些彩色低輻射薄膜旨在同時實現熱調節和審美需求,可作為新建筑和現有建筑圍護結構改造的靈活選擇。作者證明了這種薄膜在紅外波長范圍具有高的反射率(~90%),同時在可見光波長范圍內可選擇性地反射,以獲得所需要的顏色。這些薄膜有助于減少室內外環境之間的輻射熱交換,從而在滿足所需的美學效果的同時,為全年的制冷和制熱節省能源。模擬結果表明,這些薄膜可以幫助減少熱量的獲得和損失。此外,薄膜易于清潔和更換,表明這種設計具有潛在的實用價值,可以加速向可持續建筑選擇的轉變。
相關工作以《Coloured low-emissivity films for building envelopes for year-round energy savings》為題在《Nature Sustainability》上發表論文。

圖文導讀

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圖1 概念圖解
根據太陽光譜和熱輻射光譜設計了彩色低輻射薄膜的光學特性。如圖1中所示,可見光(400-700 nm)和近紅外光(700 nm-2.5 μm)約占太陽能的45%和49%,而分別從建筑、物體和人體的熱輻射主要為7-14 μm的中紅外光。設計原則是在外觀色彩清晰的前提下,盡量減少建筑室內環境與室外環境之間的輻射熱交換。
因此,彩色低輻射薄膜被設計成具有光譜選擇性,如圖1b所示。在可見光波長范圍內,只有反射所需顏色的光,才能實現審美功能。在中紅外光波長范圍內,薄膜具有高度的反射性,以減少與環境的輻射熱交換。
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圖2 彩色低輻射薄膜的制備與表征
彩色低輻射薄膜的制作過程如圖2所示。在這,采用了使用層狀雙分子層的策略來實現理想的光學性能。頂層設計用于選擇性吸收與所需顏色互補的可見波長,同時對紅外光波長高度透明。底層強烈地反射了透射的紅外光線。由于反向散射的紅外光被頂層吸收較弱,因此雙層結構具有較高的紅外反射率。
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圖3 彩色低輻射薄膜的可視化熱效應
利用熱像儀觀測了低輻射彩色薄膜的高紅外反射率所產生的熱效應。如圖3所示,兩塊相同的塑料板放在同一個熱板上。一個被低輻射藍色薄膜覆蓋,而另一個被涂上了商業藍色涂料。它們的可見顏色看起來非常相似,但溫度穩定后的熱像有顯著差異。在熱成像相機下,商業藍色涂料顯示出較高的表面溫度。相比之下,低輻射藍色薄膜顯示出弱的熱輻射。
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圖4 熱力性能測試
為了進一步研究彩色低輻射薄膜的熱性能,在人工冷熱環境下對建筑模擬物進行了測試。研究了40℃環境下的室內防熱性能。先將建筑模擬物在室溫(~23.5℃)下穩定,然后將其轉移到40℃環境中,并開啟室內溫度記錄。
使用藍色低輻射薄膜的建筑模擬物與使用藍色涂料的建筑模擬物、空白組相比,明顯顯示出延遲的溫度上升趨勢。在達到平衡之前,對于藍色低輻射薄膜的模擬物,Tindoor較低。例如,在500秒時,Tindoor的測量值比其他兩個測試低約3.5°C。
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圖5 模擬每年的熱傳遞損耗和建筑節能評估
總之,本文我們開發了一類彩色低輻射薄膜,它同時展示了熱力特性與美學特性,為節能建筑和環境可持續發展提供一種新的材料選擇。它不僅可以選擇性地反射所需的可見顏色,還能以高達90%的紅外反射率來有效地減少冷暖天氣與周圍環境的輻射熱交換。此外,如果薄膜能在冬季表現出自適應的高近紅外吸收率,以最大限度地利用太陽能加熱,則可以達到更大的節能效果。模擬驗證了通過墻壁減少傳熱的效果,并評估了安裝該薄膜的節能性能。熱量傳遞減少量和HVAC節能取決于天氣環境和墻體原有保溫條件;因此,不同城市的模擬建筑的數值不同。
在模擬中觀察到,傳熱減少和節能與原墻體保溫之間存在負相關關系,當墻體保溫原本很好時,輻射熱傳遞減少的效果便不明顯。而且,環境條件也起著重要的作用,這是不容忽視的。在實際應用中應考慮到這些因素。這些薄膜具有適當的疏水性、良好的力學性能和耐候性能,為現有和新建筑提供了靈活的解決方案,最大限度地減少室內外環境之間的輻射熱交換,實現全年節能,同時滿足必要的審美需求。作者相信這種彩色低輻射薄膜在節能建筑應用中具有廣闊前景,可以為全球碳中和和可持續發展做出貢獻。

文獻信息

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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