文献前沿丨Adv. Mater.：具有动态辐射热管理和供电的双功能光子电池，助力智能建筑

在全球能源危机和极端气候事件频发的背景下，建筑能耗已成为全球能源消耗的“重灾区”。与此同时，停电问题因气候变化和电网老化愈发严重，影响了建筑内部的正常运行。如何实现建筑的智慧热管理与能源自给，成为绿色低碳建筑发展的关键难题。针对现有热管理材料功能单一、无法兼顾温控与能源供给的问题，该研究提出了一种创新的“双功能光子电池”，该器件以硅为基础，结合锂离子电化学反应，通过可逆的锂化/去锂化过程实现红外发射率的动态调控，兼具辐射冷却和太阳加热功能，同时还具备高容量的电能存储能力。模拟分析显示，将该材料应用于建筑可显著降低高达18.4%的能耗，减排CO₂达124.1吨/年，为开发节能电驱动动态材料提出了新的途径。相关工作以Dual-functional photonic battery enabling dynamic radiative thermal management and power supply为题发表在Advanced Materials期刊。

本研究提出了一种集动态热管理与能量存储于一体的新型光子电池（SEP），设计原理及制备流程如图1所示。器件通过可逆的锂离子嵌入/脱嵌，实现硅材料的相变和尺寸变化，从而调控其红外发射率，实现夏季辐射冷却与冬季保温加热的功能，同时具备高效电能储存与供电能力。结构与光学调控性能如图2所示。SEP器件的锂化过程带来硅层反射率的明显提升，在中远红外波段（8–13 μm）实现了高达0.67的反射率调控范围。热管理与储能性能如图3所示。SEP器件在不同充放电状态下实现了可控的红外发射率调节，放电状态下表现出高红外发射率（主动冷却），而充电状态则展现出低红外发射率（保温加热）。同时，器件具备高达3271 mAh/g的储能容量，可在停电情况下为电子设备稳定供电。通过全球能耗模拟分析，如图4所示，SEP器件在建筑外立面应用时，可在不同气候区实现全年平均18.4%的建筑能耗节约，年均减少CO₂排放124.1吨，展现了广泛的节能减排与绿色建筑应用前景。未来，该技术有望在建筑能源自给、智慧能源管理和极端环境防护等领域推广应用。

图1：动态节能建筑用SEP器件的概念示意图及其在能量存储与循环利用中的应用。(a) SEP器件集成于建筑屋顶或外墙，实现按需的建筑热调控与电力供应的工作原理示意图。顶部插图展示了多层堆叠的单元结构，其中上层SEP器件主要用于动态热调节，下层SEP器件作为能量存储单元，以提升整体储能容量，实现器件作为建筑围护结构的综合利用。注意，充电状态下的SEP器件具有低红外发射率，可为电器设备提供电能；在切换至高发射率状态后，则可实现能量的回收利用（底部插图）。(b) SEP器件中红外发射率与其储能状态（SoC，State of Charge）之间关系的示意图。

图2：SEP器件的设计原理与理论分析。(a) SEP器件在放电状态（左）和充电状态（右）的结构示意图。器件由BaF₂保护层、多光谱透明Cr/Pt/Cr薄膜电极、Si薄膜（负极）、含电解质的隔膜以及涂覆有LiFePO₄的铝箔（正极）组成。(b) 锂离子（Li⁺）在Si薄膜中的嵌入与脱嵌过程示意图。充电过程中，Li⁺嵌入Si薄膜，导致其厚度增加并改变折射率，从而抑制红外发射率；放电时则发生相反过程。(c) Si和Li-Si合金的总态密度（DOS）示意图。(d) 红外光在Si薄膜与完全锂化后的Li₁₅Si₄薄膜上的传播示意图（上），以及150 nm厚Si薄膜与不同厚度Li₁₅Si₄薄膜的反射率（R）与透射率（T）理论计算结果（下）。Li₁₅Si₄薄膜的厚度分别为150、300、450和600 nm，代表Si薄膜锂化后体积膨胀的1、2、3、4倍。(e) 红外波长为10 μm入射时，150 nm厚Si薄膜（左）与350 nm厚Li₁₅Si₄薄膜（右）的电场动态分布（|E|²）特征图。

图3：SEP器件锂化前后的性能表现及结构形变可视化。(a) 不同充电状态（SoC）下SEP器件在可见光、近红外及红外波段的反射率测试结果，整体趋势为反射率随SoC升高而增加。本实验所用SEP器件尺寸为2.5 cm × 2.5 cm。(b) 同一SEP器件在不同SoC下的可见光（VIS）与长波红外（LWIR）图像，白色虚线框标注为器件的有效区域。(c) SEP器件在LWIR波段的平均红外发射率与表观温度随SoC变化的关系。(d) SEP器件在不同锂化模式（SoC）下的非易失性测试结果。(e) SEP器件（Si//LFP全电池）及基于SEP材料的半电池（Si//Li）的典型电压-容量曲线，展示Li⁺嵌入过程。(f) SEP材料放电状态（Si/Cr/Pt/Cr/BaF₂）的器件剖面结构示意图（左）、扫描电子显微镜（SEM）图像（中）及透射电子显微镜（TEM）图像（右）。(g) 充电状态（LixSi/Cr/Pt/Cr/BaF₂）下SEP材料的剖面SEM图像。(h, i) SEP材料在放电（h）与充电（i）状态下的飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）深度分析，图中展示了多种特征离子碎片的分布。上方为代表性离子的三维空间重构图像。其中，Li₂O与LiF分别产生LiO₂⁻和LiF₂⁻离子信号，LixPFy与残余锂盐产生PF₆⁻离子信号。

图4：SEP器件在建筑节能与能量供给中的应用展示。(a)以标准建筑为基准，基于全球气候数据绘制的SEP器件节能潜力全球分布图。(b)采用典型办公楼模型，基于不同城市的气象数据（数据源1#）计算的年节能量、节能率及碳减排效果。(c)不同安装方式下SEP器件的年节能量与节能率对比。(d) SEP器件构建的能量供给系统示意图，通过DC/DC变换器调节SEP器件输出电压，以满足用电设备需求。电流-电压表用于记录输出电流与电压，进而计算SEP器件转换的电能。(e)实验制备的大面积阵列化SEP器件实物图，单个器件尺寸为5 cm × 5 cm。(f-h) SEP器件为显示屏(f)、小型风扇(g)及白色3 V LED(h, 插图)供电的实物展示。显示屏与LED由尺寸为3 cm × 3 cm的SEP器件供电，风扇由尺寸为5 cm × 5 cm的器件供电，同时记录LED工作过程中的电流与电压变化。(i)不同层数SEP器件在转换效率（RE）为71.6%条件下的单户储能容量与供电时长计算结果，器件层数越多，单户可供电时长越长。(j) SEP器件与其他电致变色器件的性能对比。

小结：本研究提出的光子电池开辟了热管理材料的新方向，实现了集热调控与能量供给于一体的多功能集成设计。该技术不仅可应用于智能建筑外壳，实现主动调控建筑温度，降低HVAC能耗，同时具备应急电源能力，提升建筑在极端环境下的能源自给自足水平。未来，该技术有望在绿色节能建筑、极端环境防护、智慧城市能源管理等领域推广应用，为碳中和目标贡献新型材料解决方案。

论文信息： Wang P., Xie W., Zhang J., Sun Y., Huang S., Chen S., et al. Dual-functional photonic battery enabling dynamic radiative thermal management and power supply. Adv. Mater., 2025, 2412328.

https://doi.org/10.1002/adma.202412328.

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