最近，上海交通大学张江高等研究院未来材料创制中心周涵教授联合上海交通大学材料学院金属基复合材料国家重点实验室张荻院士，受头足类动物皮肤变色特性的启发提出了一种创新的“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。

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，本研究受头足类动物皮肤变色特性的启发，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。

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。

目前，该研究以“Dual-functional photonic battery enabling dynamic radiative thermal management and power supply”为题，发表在《先进材料》（Adv. Mater.）上。上海交通大学王盼博士为第一作者。研究得到了国家自然科学基金、上海市科技发展基金的资助。

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202412328

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（Li_xSi/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，Li_xPF_y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。