热力学“电池”相变储能材料

1 弁言

滴水成冰，描述了一种物质形态的转化，物理学称之为相变。
通过掌握温度和压强，可以改变物质的相，这里的相变常日指一级相变，在一级相变的过程中每每伴随着热量和体积的变革，与相变有关的材料也应运而生。

相变储能材料(PCM - Phase Change Material)是储能领域主要的研究方向，随着新能源科学的快速发展，能量的高效储存及运输成为关键性问题，相变储能材料有望为其供应打破性进展。

2 理论根本与材料先容

2.1热力学与能量转化

热力学第一定律见告我们，能量不能被凭空创造，也不能凭空消逝，在总值不变的情形下可以转化为不同的形式。
因此，相变储能材料在不同相态之间转变时就会固定或开释一定的能量，第一定律是储能系统运作的理论依据。
热力学第二定律则阐明了在自然状态下，能量总是有向热量形式转化的趋势、热量从高温物体到低温物体的过程不可逆转。
这便对相变储能材料的相变机制提出了更高的哀求，即如何在一定条件下实现热量的最优转化。

2.2储能事理

由于相变储能材料建立在相变的根本之上，相变又寄托于热效应，故相变储能以热量为基本储能形式。
相变储热又称潜热储热，潜热是指物质在相变过程中接管或开释的热量，这些热量不以温度的形式表征，因此称为潜热，材料中的潜热可以通过不同手段转化为其他形式的能量。

图 1潜热：接管-储存-开释（图源：http://www.dongchao168.com/news_content-991481.html）

2.3材料特点及干系参数

材料的特性及干系参数在研究和运用中起决定性浸染，相变储能材料具有高效储能的特性。
在储热方面，比较于显热储热，相变储热的储热密度赶过5倍以上，并且具有更长的储热周期。
得益于潜热储热的办法，其储热过程近似恒温，有精良的平衡性与稳定性；材料的储热过程可逆且寿命长、易于掩护，单位能量储存本钱介于显热储热和化学储热之间。
其次，相变是物理变革，这就意味着材料在利用过程中不易产生其他有害物质，安全性高，相较于本钱高、依赖化学反应的化学储热也有一定上风，环保层面上更加贴合新能源发展与“双碳”目标的背景。

从材料的参数上看，相变储能材料的相点决定材料的状态和载体；相变潜热、液相率等决定材料的储热量；导热率决定材料的储热效果，这些干系参数将直接影响材料的实际运用。

2.4材料分类

相变储能材料可以按相变温度、相变状态或相变物质进行分类：相变温度分为低温、中温和高温；相变状态分为固-固、固-液等；相变物质则有无机材料、有机材料和复合股料等，如图1所示，通过这些理化性子的划分可以更方便地研究材料并明确材料的利用环境。

图 2相变储能材料分类（图源：作者）

3 运用

3.1太阳能与风能

地球生命高度依赖太阳能，目前工业上对付太阳能的利用紧张有太阳能集热与光伏发电。
相变储能材料可以直接进行潜热集热，还可以将光伏板上多余的热量接管转化为相变潜热，作为备用能源成为光热利用的一环，提高利用率。
相变储能材料在风能利用中也发挥着重要浸染，风力发电常日不稳定，有时产生多余的能量，有时须要能量补偿，利用相变储能等技能可以根据须要实现能量的储存与开释，保障风电系统稳定运行。

图 3基于功能型相变储热复合股料的太阳能光/电-热转换与储存（图源：能源学人）

3.2燃料电池

燃料电池是新能源汽车的主要组成部分，电池事情时会持续发热，影响电池寿命还可能造成安全隐患。
相变材料可以优化电池热管理，将其集成到电池组中，辅以智能化调控系统，提高电池的寿命和性能，为干系家当赋能。

3.3建筑工程与冷链运输

建筑热心况的改进对付建筑节能意义重大，相变储能材料在建筑工程中的运用可以有效改进建筑热心况。
目前，相变储能材料已经被运用于屋顶隔热、墙体保温和玻璃暖房等建筑领域，以提升其调温性能。

随着我国物流运输业的发展，相变储能材料在冷链运输中有较大的发展空间。
在食品冷链方面，刘方方等研制了运用于果蔬类的相变储能材料，紧张身分是苯甲酸钠，相变温度为-6~-4℃，可用于0~4℃下果蔬的冷链运输。
白冬研制的高分子吸水树脂相变材料加入泡沫箱后的低温坚持效果比冰块更佳，可以知足南美白对虾的冷链运输需求。
在医用冷链运输中，王艳等剖析了十四烷作为相变材料的新型恒温运血箱，创造其在无电力供应、无冰的条件时，在低温和高温下均对红细胞具有良好的保存效果，适宜医用血液运输。

3.4电力系统

当现代界能源的重心正在向清洁型能源倾斜，电力系统也朝着新能源方向探索和发展，但在实际运行时易受可再生能源的不稳定性和间歇性影响，造成可靠性与本钱问题，因此，研发面向电力系统的储能技能十分必要。
相变储能材料可运用于调峰填谷技能，在强电负荷需求较高时，材料以低峰谷电价时段接管电网过剩的电能，将其转化为潜热储存起来。
当电力需求增加时，可以开释潜热储存的能量供应给电网，平衡电力供需差异。

3.5个体防护服

只管目前环球变暖趋缓，但显著增温可能在不久的将来得到规复，人类在高温环境下作业的风险持续增加。
降温服在高温矿井等热心况中能够有效保障人体安全，利用相变材料制作的降温服具有制冷效果好、穿着便利、本钱较低等优点，且可选择的相变材料种类丰富，相较于其他种类的降温服具有独特上风。
梁国治等研发出一款矿用高分子蓄冷材料降温服，具备放冷韶光长、穿着方便舒适等特点，相变潜热高于240J/g，能在很大程度上降落矿井高温对人体的侵害。

4 材料种类

在相变材料的分类中有一部分材料为科研者所深入研究，它们在实际运用中有出色、独特的性子，这里先容几种运用面广、储能特性佳的相变材料。

4.1膨胀石墨基与生物质碳基材料

膨胀石墨是一种具有高膨胀性和多孔构造的材料，遇高温体积可膨胀数百倍，将其作为相变储能材料可以充分发挥性能上风，形成具有高导热率、多孔构造和较大表面积的膨胀石墨基相变储能材料，这些特性有助于提高储热和放热的效率。

图 4多孔碳的SEM图（图源：参考文献13）

生物质材料碳化后呈蜂窝状多孔构造，如图4所示。
多孔碳微不雅观表面粗糙，多孔构造中存在很多褶皱，这些褶皱增大了多孔材料的表面积，有利于强化传热。
这种三维生物质碳基的导热孔道网络完全，担保了有机相变材料的高稳定负载量，有利于提高复合股料的潜热值，并能有效防止相变材料的透露。

4.2熔融盐材料

熔融盐是主要的无机材料，有利用温度范围广、较高的热容量和稳定性等特点。
个中HITEC熔盐组成（质量%）为KNO∶NaNO∶NaNO=53∶40∶7，熔点为140.8℃，相变潜热为72.5 J/g，目前紧张运用于太阳能热发电。

图 5定形相变储热复合股料的制备方法、导热强化、能量储存及热管理运用（图源：能源学人）

4.3金属基陶瓷复合股料

金属相变材料具有储能密度高、热稳定性好等优点，在潜热储能系统中具有很大的发展上风，陶瓷材料具有良好的热性能，可作为金属相变材料的有效封装载体。
最新的冷冻铸造法可以通过调节制备参数来得到不同构造的、多尺度、多孔的陶瓷坯体，并能用于不同金属相变材料的封装，制备出的复合股料具有良好的热物理性能及各向异性。

5 结语

相变储能材料以地球上每时每刻都在发生的相变为理论依托，在储能技能与材料科学的架构下不断开拓潜热的边界，在顺应时期发展、对接环球能源构造的转向升级中起着重要的浸染。
目前，相变储能还存在导热性能低、本钱较高和材料封装等问题，许多研究以打算材料学等交叉学科实现仿真仿照，在商业化与集成化方向对材料进行开拓和优化。
近年来，国内外运用于相变的干系研究有纳米材料、有机-无机稠浊材料和低共熔物等，研究职员对不同材料的相互领悟与改性进行了积极的考试测验。
优胜的储热性能使相变材料受到越来越多的关注，其在各种储热项目中都存在很大的发展潜力，有望成为未来最具运用前景的储能材料。

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来源：洞察化学

编辑：蓝多多

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