摘要：在用于测试宏观热量释放的研究人员平台中，加热元件提供足够的能量来触发太阳能热燃料材料，而红外热像仪则监测温度。带电薄膜（右）释放热量，相对于未带电的薄膜（左）产生更高的温度。

材料可以在白天收集阳光，数小时或数天后按需释放热量。

大卫·钱德勒 | 麻省理工学院新闻办公室

逐层太阳能热燃料聚合物薄膜由三个不同的层组成（每个层的厚度为 4 至 5 微米）。每层后交联可以构建厚度可调的薄膜。

在用于测试宏观热量释放的研究人员平台中，加热元件提供足够的能量来触发太阳能热燃料材料，而红外热像仪则监测温度。带电薄膜（右）释放热量，相对于未带电的薄膜（左）产生更高的温度。

旋涂工艺使太阳能热燃料聚合物材料从溶液中沉积。然后，薄膜可以很容易地用紫外线充电。这种方法可以扩展到逐层工艺中的可变厚度。

加热元件用于提供足够的能量来触发太阳能热燃料材料，而红外摄像机则监测温度。

想象一下，如果您的衣服可以根据需要释放足够的热量来保持温暖和舒适，让您可以调低恒温器设置并在凉爽的房间里保持舒适。或者，想象一下汽车挡风玻璃，它储存太阳能，然后以热量的形式释放出来，融化一层冰。

根据麻省理工学院的一组研究人员的说法，这两种情况可能很快就会成为可能，这要归功于一种新材料，它可以在白天储存太阳能，并在以后需要时以热量的形式释放出来。这种透明的聚合物薄膜可以应用于许多不同的表面，例如窗户玻璃或衣服。

尽管太阳是一种几乎取之不尽、用之不竭的能源，但它的可用时间只有我们所需时间的一半左右——白天。为了让太阳能成为满足人类需求的主要电力提供者，必须有一种有效的方法来储存起来，以便在夜间和暴风雨天使用。大多数此类努力都集中在以电力形式储存和回收太阳能上，但这项新发现可以提供一种高效的方法，通过化学反应储存太阳能，然后以热量的形式释放出来。

麻省理工学院教授 Jeffrey Grossman、博士后 David Zhitomirsky 和研究生 Eugene Cho 的发现在《先进能源材料》杂志上的一篇论文中进行了描述。该团队表示，实现长期、稳定储存太阳热能的关键是以化学变化的形式储存它，而不是储存热量本身。虽然无论周围的绝缘性能多么好，热量都不可避免地会随着时间的推移而消散，而化学储存系统可以将能量无限期地保留在稳定的分子构型中，直到它的释放被一小波热（或光或电）触发。

具有两种配置的分子

关键是分子可以在两种不同构型中的任何一种中保持稳定。当暴露在阳光下时，光的能量将分子踢入它们的“带电”结构，并且它们可以长时间保持这种状态。然后，当被非常特定的温度或其他刺激触发时，分子会弹回原来的形状，并在此过程中释放出一阵热量。

这种基于化学的存储材料被称为太阳能热燃料 （STF），以前已经开发过，包括 Grossman 和他的团队之前的工作。但 Zhitomirsky 说，这些早期的努力“在固态应用中的效用有限”，因为它们旨在用于液体溶液，无法制造耐用的固态薄膜。新方法是第一个基于固态材料（在本例中为聚合物）的方法，也是第一个基于廉价材料和广泛制造技术的方法。

“这项工作为在单一材料中同时收集和存储能量提供了一条令人兴奋的途径，”多伦多大学教授 Ted Sargent 说，他没有参与这项研究。

Cho 说，制造这种新材料只需要一个“非常简单且非常可扩展”的两步过程。该系统基于之前的工作，旨在开发一种太阳能炊具，该炊具可以储存太阳能热量，以便在日落后做饭，但“这存在挑战，”他说。他说，该团队意识到，如果这种蓄热材料可以制成薄膜，那么它就可以“融入许多不同的材料中”，包括玻璃甚至织物。

为了使薄膜能够储存有用的热量，并确保其能够轻松可靠地制造，该团队从称为偶氮苯的材料开始，这些材料会响应光而改变其分子构型。然后可以通过微小的热脉冲刺激偶氮苯，以恢复到其原始配置并在此过程中释放更多的热量。研究人员修改了这种材料的化学成分，以提高其能量密度（给定重量下可以储存的能量）形成光滑、均匀层的能力，以及对激活热脉冲的响应能力。

脱落冰块

他们最终得到的材料是高度透明的，这可能使其可用于汽车挡风玻璃的除冰，Morton and Claire Goulder and Family 环境系统教授兼材料科学与工程教授 Grossman 说。虽然许多汽车已经为此在后窗中嵌入了细电热丝，但法律禁止任何阻挡前窗视线的东西，即使是细线。但是，由新材料制成的透明薄膜夹在两层玻璃之间——就像目前使用粘合聚合物以防止碎玻璃碎片在事故中飞来飞去一样——可以提供相同的除冰效果，而不会造成任何堵塞。他说，这项研究的赞助商德国汽车公司 BMW 对这种潜在应用很感兴趣。

有了这样的窗户，每次汽车暴露在阳光下时，能量都会储存在聚合物中。然后，“当你触发它时”，仅使用可能由加热丝或一阵加热空气提供的少量热量，“你就会得到这种热量，”格罗斯曼说。“我们做了测试，以表明你可以获得足够的热量来从挡风玻璃上掉冰。”他解释说，实现这一目标并不需要所有冰都真正融化，只需要最靠近玻璃的冰融化到足以形成一层水，释放其余的冰，使其在重力作用下滑落或被挡风玻璃雨刷器推到一边。

Grossman 说，该团队正在继续努力改进电影的特性。这种材料目前略带黄色，因此研究人员正在努力提高其透明度。它可以释放出比周围温度高出约 10 摄氏度的爆发——足以用于融冰应用——但他们正试图将其提高到 20 摄氏度。

现在存在的系统可能已经为电动汽车带来了重大福音，电动汽车将大量能量用于加热和除冰，以至于在寒冷条件下，它们的行驶里程可能会下降 30%。Grossman 说，这种新聚合物可以显着减少这种消耗。

“这种方法具有创新性和独特性，”多伦多大学的 Sargent 说。“从科学和工程的角度来看，这项研究是固态储能/热释放材料实际应用的重大进步。”

这项工作得到了 NSERC Canada Banting Fellowship 和 BMW 的支持。

来源：陈讲运清洁能源