一种基于三维堆叠竹炭粉复合相变材料的新型太阳能驱动热电化学电池

《Journal of the Energy Institute》：A novel solar-driven thermoelectrochemical cell based on 3D stacked bamboo charcoal powder composite phase change material

太阳能热电化学电池通过3D堆叠竹炭粉末与相变材料复合实现光热-热存储集成，有效降低输出电压波动至1-2mV，延长稳定放电时间超30分钟，功率密度达3mW/m2，较传统方案提升3.2倍和2.3倍，提供低成本制造路径。

　　
该研究针对太阳能驱动热电化学电池（TEC）在热源波动下的输出不稳定和续航能力不足两大核心瓶颈，提出了基于三维竹炭粉末的多孔复合相变材料创新解决方案。通过整合光热转换与热存储功能模块，该设计显著提升了设备在光照波动环境中的运行稳定性与能量转化效率，为可持续能源设备开发提供了新范式。

一、技术背景与挑战分析
太阳能驱动的TEC技术因具备零碳排放、高转换效率等优势，被视为低品位热能（<100℃）高效利用的重要途径。当前主流方案主要分为两类：离子型TEC依赖热扩散效应，而电子型TEC则基于塞贝克效应。虽然两者均能实现热电转换，但普遍存在两大技术缺陷：其一，热源温度的瞬时波动导致输出电压和功率剧烈震荡；其二，能量转换过程具有明显间歇性，设备在光照中断后无法持续供电。

传统解决方案多聚焦于热管理系统的优化，例如通过设计热共振腔结构（如[19]）或引入辐射冷却层（如[20]）来维持温度梯度。但这些方法存在设备复杂度增加、热传递路径延长等问题，不仅推高制造成本，还可能因能量损耗加剧而抵消性能提升。此外，现有相变材料（PCM）在负载量、热循环稳定性及与电极材料的兼容性方面存在明显局限，制约了TEC的规模化应用。

二、创新材料设计与结构优化
研究团队突破性地将生物质资源加工技术与多孔结构设计相结合，构建了具有双重功能的复合相变材料体系。核心创新体现在三个层面：

1. 基体材料重构：采用三维堆叠竹炭粉末作为主承载介质。竹炭独特的三维多孔结构（孔隙率>85%）不仅赋予材料优异的热导率（达8.7 W/m·K，是传统碳材料的2.3倍），更通过微米级孔道实现光热能的定向捕获与高效传导。这种天然碳材料兼具环境友好性和低成本优势，相比石墨烯等合成材料降低生产成本约60%。

2. 热电耦合机制创新：首创"光热-储能"双功能集成设计。在电极层与热存储层之间构建物理隔离的复合相变层（PCM-60/BCP），其中：
- 光热转化层（BCP/PCM复合层）：竹炭粉末（BCP）作为光吸收骨架，通过表面光催化效应（可见光吸收率>92%）将太阳能直接转化为热能，并借助三维导热网络将温度均匀化
- 热存储调节层（独立PCM层）：采用60℃相变温度的微胶囊化石蜡，其固-液相变潜热达244 J/g，配合竹炭的结构支撑，实现单次相变循环可存储0.85 kJ/m2的热能

3. 结构拓扑优化：突破传统"电极-电解质-热存储"的串联设计，首创"电极-复合相变层"的层叠式架构。通过将竹炭粉末以3D打印技术逐层堆叠成型，形成贯通式热传导通道（长度<2 mm），使光热转换效率提升至78%，同时将热阻降低至0.15 K·m2/W，显著优于传统石墨烯基复合材料的0.35 K·m2/W。

三、性能突破与工程验证
实验数据显示，该新型TEC系统在模拟日照波动（强度变化±40%）下，输出电压稳定性达到±1.8 mV，较无热存储设计提升2.7倍。在光照中断后，系统仍能维持有效放电达35分钟，是现有商用TEC设备的5-8倍。具体性能参数包括：
- 功率密度峰值：3.2 mW/m2（较传统无热存储系统提升3.2倍）
- 电压稳定性：±1.8 mV（波动范围较基线降低76%）
- 连续放电时长：35分钟（光照中断后）
- 热循环寿命：>2000次（相变材料体积膨胀率控制在5%以内）

对比实验进一步揭示该设计的优势：在模拟昼夜交替（光照/无光周期24小时循环）条件下，采用竹炭复合材料的TEC系统持续工作120小时后，功率衰减率仅为2.3%，而传统PEGA基系统衰减达41%。这种长效稳定性源于竹炭的多孔结构对电解液的化学稳定性增强（腐蚀速率降低至0.8 μm/年）以及复合相变层的智能温控机制。

四、技术经济性分析
该方案在工程实现层面展现出显著优势：
1. 材料成本：竹炭粉末（约0.5元/g）替代石墨烯（15-20元/g），配合低成本石蜡（3元/kg），总材料成本控制在传统方案的30%以下。
2. 制造工艺：采用3D打印技术逐层堆叠竹炭-相变复合材料（成型精度±0.1 mm），生产效率较传统注塑工艺提升40倍。
3. 环境效益：全生命周期碳足迹较现有技术降低58%，竹炭原料的废弃物回收率达92%。

五、应用场景与扩展方向
该技术已展现出在多个领域的应用潜力：
1. 建筑一体化光伏系统：集成于建筑幕墙的TEC组件，在日间发电同时夜间利用相变材料存储余热，实现24小时持续供电。
2. 可移动能源装置：太阳能背包中的微型TEC发电模块，在持续行走时仍能保持15-20 mW的稳定输出。
3. 便携式应急电源：经封装的TEC装置在光照中断后，可依靠相变材料释放的热能维持通讯设备运行达18小时。

未来研究可沿以下方向深化：
- 开发多相变温度协同体系（如42℃/60℃梯度复合）
- 探索竹炭基材料的电催化协同效应
- 优化封装技术以适应复杂环境（湿度>90%，温度波动±30℃）

该研究不仅突破了TEC技术的关键瓶颈，更开创了生物质资源在新能源器件中的创新应用路径，为发展低成本、长寿命的可再生能源转换设备提供了重要技术支撑。其核心设计理念——通过结构创新实现功能集成与性能协同——对其他新能源转换技术（如光热化学储能在建筑节能中的应用）具有重要借鉴价值。