定形相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料的制備、熱性能提升、能量存儲(chǔ)及熱管理

熱設(shè)計(jì) 2023-03-15

信息來(lái)源：能源學(xué)人

上海交通大學(xué)王如竹教授和李廷賢研究員領(lǐng)銜的“能源-空氣-水” 交叉學(xué)科創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)ITEWA（Innovative Team for Energy, Water & Air）在能源材料領(lǐng)域國(guó)際知名期刊Energy Storage Materials上發(fā)表了題目為“Form-stable Phase Change Composites: Preparation, Performance, and Applications for Thermal Energy Conversion, Storage and Management”的綜述論文。該論文聚焦相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料的最新研究進(jìn)展，從復(fù)合材料的制備方法、熱性能提升和能量轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)與熱管理應(yīng)用等幾個(gè)方面對(duì)定形相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料（Phase Change Composite, PCC）的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹：

1）PCC制備方面：總結(jié)歸納了物理混合法（包括機(jī)械混合、自擴(kuò)散、熔融浸漬、真空浸漬等）、微膠囊封裝法（包括噴霧干燥、凝聚、溶膠-凝膠等）、化學(xué)聚合法（包括接枝、嵌段、交聯(lián)等）等制備方法的特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)；

2）PCC熱性能方面：分析對(duì)比了金屬基（包括納米金屬顆粒、金屬氧化物顆粒、金屬泡沫、金屬氧化物泡沫等）、碳基（一維碳材料、二維碳材料、三維多孔碳材料，如石墨泡沫、石墨烯氣凝膠、碳納米管海綿等）和陶瓷基（包括氮化硼、二氧化硅、黏土礦物等）導(dǎo)熱型相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料的熱性能提升；

3）PCC應(yīng)用方面：重點(diǎn)介紹了 PCC在太陽(yáng)能光-熱轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)、光控?zé)崮艽鎯?chǔ)與釋放、電-熱轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)、磁-熱轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)、電池?zé)峁芾?、電子器件熱管理、建筑能量調(diào)節(jié)、織物溫度調(diào)控等方面的應(yīng)用；在上述基礎(chǔ)上對(duì)高性能PCC存在的挑戰(zhàn)和機(jī)遇進(jìn)行了分析和展望。

圖1. 定形相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料的制備方法、導(dǎo)熱強(qiáng)化、能量存儲(chǔ)及熱管理應(yīng)用

01 研究背景

相變材料（PCM）通過(guò)自身相態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中潛熱的吸收和釋放進(jìn)行熱能存儲(chǔ)與供能，具有儲(chǔ)熱密度高、材料范圍廣、工作溫度穩(wěn)定等特點(diǎn)。近年來(lái)，面向可再生能源高密度儲(chǔ)能及電子器件熱管理的重大需求，采用相變材料PCM實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)及被動(dòng)式溫度調(diào)節(jié)成為能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，然而，以固-液相變?yōu)榇淼膫鹘y(tǒng)PCM存在熱導(dǎo)率低、易泄露、相分離和過(guò)冷度大等問(wèn)題，嚴(yán)重制約PCM的發(fā)展與應(yīng)用。針對(duì)上述問(wèn)題，研究人員常采用物理/化學(xué)封裝PCM來(lái)制備定形相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料解決泄露和相分離問(wèn)題；為了提高PCM的熱導(dǎo)率，通過(guò)在PCM中添加高導(dǎo)熱功能介質(zhì)發(fā)展導(dǎo)熱型相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料以增強(qiáng)有效熱導(dǎo)率。此外，針對(duì)特定的能量轉(zhuǎn)化、傳輸與存儲(chǔ)以及溫度調(diào)控需求，采用功能性材料對(duì)傳統(tǒng)PCM進(jìn)行改性拓展了相變儲(chǔ)能模式及其應(yīng)用領(lǐng)域。論文立足PCC的研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵問(wèn)題，重點(diǎn)介紹了定形相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料PCC的制備方法、熱性能提升、能量轉(zhuǎn)化存儲(chǔ)及熱管理應(yīng)用，分析了目前定形相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，對(duì)高性能相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

02 文章簡(jiǎn)介

1、定形相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料的制備方法

定形PCC與傳統(tǒng)PCM相比，具有防泄露、過(guò)冷度小、導(dǎo)熱系數(shù)高和熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)PCC的形貌和儲(chǔ)熱機(jī)理的不同，PCC的制備方法可歸納為三種：混合法，包括機(jī)械混合、自擴(kuò)散、熔融浸漬和真空浸漬；微膠囊封裝法，包括噴霧干燥、凝聚、溶膠-凝膠、聚合；化學(xué)聚合法，包括即接枝法、嵌段法、交聯(lián)法?；旌戏ㄊ钱?dāng)前最常采用的PCC制備技術(shù)，通過(guò)將PCM與固體填料或多孔材料進(jìn)行物理混合或吸附來(lái)制備PCC，利用多孔材料的毛細(xì)力防止液態(tài)PCM的泄露問(wèn)題，然而混合法制備的PCC難以保證PCM與多孔材料添加劑的均勻性，并且固體填料的引入降低了PCC的儲(chǔ)能密度，此外PCC儲(chǔ)/放熱過(guò)程中其與環(huán)境的長(zhǎng)期接觸對(duì)材料的熱穩(wěn)定性和定形效果可能造成較大影響。相比之下，將PCM作為芯材封裝在固態(tài)微殼中構(gòu)建“核-殼”結(jié)構(gòu)PCC的微膠囊封裝法可以有效隔斷PCM與環(huán)境的接觸，從而克服純PCM的腐蝕、降解、相分離和過(guò)冷等問(wèn)題，然而無(wú)機(jī)PCM（水合物鹽、熔鹽等）由于親水性差異難以膠囊化封裝，有機(jī)PCM由于相容性差異，難以采用無(wú)機(jī)殼材料進(jìn)行封裝，產(chǎn)量低、成本高和易破裂等問(wèn)題也限制了PCC微膠囊封裝法的進(jìn)一步應(yīng)用推廣。化學(xué)聚合法中，固-液PCM的可結(jié)晶部分通過(guò)化學(xué)鍵重構(gòu)的方法結(jié)合到聚合物大分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)中，從而阻止PCM在非晶態(tài)下的自由流動(dòng)以防止液態(tài)泄露，具有熱穩(wěn)定性好和可實(shí)現(xiàn)規(guī)?；苽涞膬?yōu)點(diǎn)，然而PCC聚合物制備過(guò)程中需要使用大量溶劑（DMF、甲苯等），導(dǎo)致制備成本的增加和對(duì)環(huán)境造成危害，此外由于聚合物大分子“硬”段的限制，PCC聚合物通常具有相對(duì)較低的相變焓值。

圖2. 定形相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料制備方法（混合、微膠囊封裝、化學(xué)聚合）

2、相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料的熱性能提升

熱導(dǎo)率低是制約PCM儲(chǔ)熱應(yīng)用的另一關(guān)鍵共性難題，其嚴(yán)重影響了PCM儲(chǔ)熱系統(tǒng)的熱能存儲(chǔ)與釋放功率。添加高導(dǎo)熱填料或?qū)CM封裝在導(dǎo)熱多孔骨架內(nèi)是提高PCM導(dǎo)熱性能最常用的兩種方法，根據(jù)材料種類(lèi)和結(jié)構(gòu)的不同，導(dǎo)熱填料可主要分為金屬基（納米金屬/金屬氧化物顆粒、金屬/金屬氧化物泡沫）、碳基（一維、二維和三維多孔碳材料）和陶瓷基（氮化硼、二氧化硅、黏土礦物等）三類(lèi)。相比于陶瓷基導(dǎo)熱填料，金屬基和碳基材料因其較高的本征熱導(dǎo)率，故對(duì)PCM熱導(dǎo)率的提升更為顯著。其中，以石墨烯、碳納米管為代表的碳基材料具有超高熱導(dǎo)率、低密度和優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)，在PCM導(dǎo)熱性能提升應(yīng)用中更具優(yōu)勢(shì)。相比之下，金屬基填料在高導(dǎo)熱PCC制備與應(yīng)用中則受限于其高密度和化學(xué)活性強(qiáng)等因素，在各類(lèi)碳基導(dǎo)熱填料中，三維多孔碳材料（如石墨泡沫、石墨烯氣凝膠、碳納米管海綿等）由三維碳基骨架組成，其三維碳基骨架構(gòu)成的導(dǎo)熱滲流網(wǎng)絡(luò)不僅為PCM提供了有效的熱擴(kuò)散途徑，還有效緩解了相變復(fù)合材料的熔融泄露和過(guò)冷等問(wèn)題，是近年來(lái)高導(dǎo)熱PCC的研究的熱點(diǎn)。值得注意的是，近期的研究結(jié)果表明采用壓力誘導(dǎo)自組裝的方法構(gòu)建各向異性導(dǎo)熱骨架有助于減小PCM和導(dǎo)熱填料間的接觸熱和界面熱阻，實(shí)現(xiàn)超高熱導(dǎo)率PCC的制備。

圖3. 相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料熱導(dǎo)率強(qiáng)化（金屬基、碳基、陶瓷基）

3、定形相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料的熱管理應(yīng)用

相變材料具有儲(chǔ)能密度高、工作溫度穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在各種能源系統(tǒng)中進(jìn)行能量存儲(chǔ)和溫度調(diào)控。近年來(lái)，隨著功能化PCC的改性研究和高性能PCC的開(kāi)發(fā)，PCC的應(yīng)用場(chǎng)景被進(jìn)一步擴(kuò)展，通過(guò)添加各種功能化的填料（如炭黑、Ti4O7、Fe3O4和石墨烯等），傳統(tǒng)PCM具備了實(shí)現(xiàn)高效光-熱、光-電、磁-熱轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)的能力，其中基于PCC的直接光-熱、電-熱轉(zhuǎn)化效率高達(dá)90%以上，磁-熱及其他類(lèi)型能量轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)效率則相對(duì)較低。值得注意的是，近年來(lái)提出的基于小分子和聚合物熔融和玻璃轉(zhuǎn)化溫度調(diào)控實(shí)現(xiàn)光控?zé)崮艽鎯?chǔ)與釋放技術(shù)為基于PCM的可控能量釋放和能量長(zhǎng)期存儲(chǔ)提供了新的思路，但其大規(guī)模應(yīng)用仍需克服量產(chǎn)率低、結(jié)晶不完全等問(wèn)題。除相變儲(chǔ)能模式得到拓展外，高性能PCC在熱管理應(yīng)用中也取得了許多進(jìn)展，作為被動(dòng)式熱管理，通過(guò)提高PCC的熱導(dǎo)率可有效改善動(dòng)力電池和電子芯片溫度峰值與均勻性，提高建筑物熱管理和紡織品的溫度舒適性。

圖4. 相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料的能量轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)及熱管理應(yīng)用

03 總結(jié)與展望

實(shí)現(xiàn)高能量密度、高功率密度、安全高效的低成本能量存儲(chǔ)與熱管理是相變儲(chǔ)熱的主要目標(biāo)研究，盡管近年來(lái)在高性能PCC制備、熱性能提升和多元化應(yīng)用等方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但定形相變儲(chǔ)熱復(fù)合材料的研究仍面臨諸多挑戰(zhàn)，在以下幾方面需要進(jìn)一步研究：（1）探索高能量/功率密度和良好熱穩(wěn)定性PCC的規(guī)?；苽湫路椒?；（2）基于微觀結(jié)構(gòu)和聲子傳輸?shù)腜CC導(dǎo)熱機(jī)理研究；（3）低成本納米導(dǎo)熱填料各向異性自組裝方法；（4）基于能量轉(zhuǎn)換和傳熱協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)的高溫光-熱、電-熱、磁-熱轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)研究；（5）基于PCC的主/被動(dòng)耦合熱管理策略研究；（6）基于多孔材料的溫度、濕度協(xié)同調(diào)控研究?？傊?，為滿(mǎn)足更廣泛的應(yīng)用要求，需要圍繞PCC開(kāi)展包含材料制備、熱物性、熱性能及應(yīng)用在內(nèi)的更深入探索。

標(biāo)簽：導(dǎo)熱散熱點(diǎn)擊：評(píng)論: