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崔屹,剛發(fā)完Nature,又發(fā)Nature Sustainability!

剛發(fā)完Nature

對下一代能源存儲(chǔ)系統(tǒng)的需求日益增長,高性能鋰電池的發(fā)展勢在必行。然而,由于固體-電解質(zhì)界面的連續(xù)產(chǎn)生和死Li(i-Li)的形成,導(dǎo)致目前鋰負(fù)極在循環(huán)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(rèn)為在電池中電化學(xué)惰性的。

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2021年12月22日,斯坦福大學(xué)崔屹教授等人會(huì)針對i-Li是否對電化學(xué)過程有反應(yīng)提出了疑問。結(jié)果表明,i-Li對電池運(yùn)行高度敏感,在電解液的電場作用下會(huì)發(fā)生i-Li的動(dòng)態(tài)極化。Li的沉積和溶解同時(shí)發(fā)生在i-Li的兩端,導(dǎo)致i-Li在充、放電過程中向陰極(陽極)方向遷移。模擬結(jié)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(guān)工作以《Dynamic spatial progression of isolated lithium during battery operations》為題在《Nature》上發(fā)表論文。內(nèi)容介紹,詳見鏈接:崔屹,再發(fā)Nature!

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又發(fā)Nature Sustainability

建筑是當(dāng)今社會(huì)重要的能源使用者,節(jié)能建筑在可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)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(dǎo)致每年產(chǎn)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(fēng)和空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)占建筑能耗的40%左右,直接關(guān)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(yán)重的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)問題。因此,必須發(fā)展科技創(chuàng)新,以提高建筑HVAC系統(tǒng)的能源效率,同時(shí)減少碳排放。
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2021年12月23日,斯坦福大學(xué)崔屹教授等人開發(fā)了一種用于建筑墻體熱圍護(hù)結(jié)構(gòu)的彩色低輻射薄膜,為全年建筑供暖和制冷節(jié)能提供了解決方案。這些彩色低輻射薄膜旨在同時(shí)實(shí)現(xiàn)熱調(diào)節(jié)和審美需求,可作為新建筑和現(xiàn)有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(shí)在可見光波長范圍內(nèi)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(nèi)外環(huán)境之間的輻射熱交換,從而在滿足所需的美學(xué)效果的同時(shí),為全年的制冷和制熱節(jié)省能源。模擬結(jié)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(shè)計(jì)具有潛在的實(shí)用價(jià)值,可以加速向可持續(xù)建筑選擇的轉(zhuǎn)變。
相關(guān)工作以《Coloured low-emissivity films for building envelopes for year-round energy savings》為題在《Nature Sustainability》上發(fā)表論文。

圖文導(dǎo)讀

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圖1 概念圖解
根據(jù)太陽光譜和熱輻射光譜設(shè)計(jì)了彩色低輻射薄膜的光學(xué)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(shè)計(jì)原則是在外觀色彩清晰的前提下,盡量減少建筑室內(nèi)環(huán)境與室外環(huán)境之間的輻射熱交換。
因此,彩色低輻射薄膜被設(shè)計(jì)成具有光譜選擇性,如圖1b所示。在可見光波長范圍內(nèi),只有反射所需顏色的光,才能實(shí)現(xiàn)審美功能。在中紅外光波長范圍內(nèi),薄膜具有高度的反射性,以減少與環(huán)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(shí)現(xiàn)理想的光學(xué)性能。頂層設(shè)計(jì)用于選擇性吸收與所需顏色互補(bǔ)的可見波長,同時(shí)對紅外光波長高度透明。底層強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(yīng)
利用熱像儀觀測了低輻射彩色薄膜的高紅外反射率所產(chǎn)生的熱效應(yīng)。如圖3所示,兩塊相同的塑料板放在同一個(gè)熱板上。一個(gè)被低輻射藍(lán)色薄膜覆蓋,而另一個(gè)被涂上了商業(yè)藍(lán)色涂料。它們的可見顏色看起來非常相似,但溫度穩(wěn)定后的熱像有顯著差異。在熱成像相機(jī)下,商業(yè)藍(lán)色涂料顯示出較高的表面溫度。相比之下,低輻射藍(lán)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(jìn)一步研究彩色低輻射薄膜的熱性能,在人工冷熱環(huán)境下對建筑模擬物進(jìn)行了測試。研究了40℃環(huán)境下的室內(nèi)防熱性能。先將建筑模擬物在室溫(~23.5℃)下穩(wěn)定,然后將其轉(zhuǎn)移到40℃環(huán)境中,并開啟室內(nèi)溫度記錄。
使用藍(lán)色低輻射薄膜的建筑模擬物與使用藍(lán)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(dá)到平衡之前,對于藍(lán)色低輻射薄膜的模擬物,Tindoor較低。例如,在500秒時(shí),Tindoor的測量值比其他兩個(gè)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(jié)能評估
總之,本文我們開發(fā)了一類彩色低輻射薄膜,它同時(shí)展示了熱力特性與美學(xué)特性,為節(jié)能建筑和環(huán)境可持續(xù)發(fā)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(dá)90%的紅外反射率來有效地減少冷暖天氣與周圍環(huán)境的輻射熱交換。此外,如果薄膜能在冬季表現(xiàn)出自適應(yīng)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(dá)到更大的節(jié)能效果。模擬驗(yàn)證了通過墻壁減少傳熱的效果,并評估了安裝該薄膜的節(jié)能性能。熱量傳遞減少量和HVAC節(jié)能取決于天氣環(huán)境和墻體原有保溫條件;因此,不同城市的模擬建筑的數(shù)值不同。
在模擬中觀察到,傳熱減少和節(jié)能與原墻體保溫之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系,當(dāng)墻體保溫原本很好時(shí),輻射熱傳遞減少的效果便不明顯。而且,環(huán)境條件也起著重要的作用,這是不容忽視的。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)考慮到這些因素。這些薄膜具有適當(dāng)?shù)氖杷浴⒘己玫牧W(xué)性能和耐候性能,為現(xiàn)有和新建筑提供了靈活的解決方案,最大限度地減少室內(nèi)外環(huán)境之間的輻射熱交換,實(shí)現(xiàn)全年節(jié)能,同時(shí)滿足必要的審美需求。作者相信這種彩色低輻射薄膜在節(jié)能建筑應(yīng)用中具有廣闊前景,可以為全球碳中和和可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

文獻(xiàn)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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