信息來源：能源學人

上海交通大學王如竹教授和李廷賢研究員領銜的“能源-空氣-水” 交叉學科創新團隊ITEWA（Innovative Team for Energy, Water & Air）在能源材料領域國際知名期刊Energy Storage Materials上發表了題目為“Form-stable Phase Change Composites: Preparation, Performance, and Applications for Thermal Energy Conversion, Storage and Management”的綜述論文。該論文聚焦相變儲熱復合材料的最新研究進展，從復合材料的制備方法、熱性能提升和能量轉化、存儲與熱管理應用等幾個方面對定形相變儲熱復合材料（Phase Change Composite, PCC）的研究現狀進行了介紹：

1）PCC制備方面：總結歸納了物理混合法（包括機械混合、自擴散、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）、化學聚合法（包括接枝、嵌段、交聯等）等制備方法的特點和優缺點；

2）PCC熱性能方面：分析對比了金屬基（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）導熱型相變儲熱復合材料的熱性能提升；

3）PCC應用方面：重點介紹了 PCC在太陽能光-熱轉換存儲、光控熱能存儲與釋放、電-熱轉換存儲、磁-熱轉換存儲、電池熱管理、電子器件熱管理、建筑能量調節、織物溫度調控等方面的應用；在上述基礎上對高性能PCC存在的挑戰和機遇進行了分析和展望。

圖1. 定形相變儲熱復合材料的制備方法、導熱強化、能量存儲及熱管理應用

01 研究背景

相變材料（PCM）通過自身相態轉變過程中潛熱的吸收和釋放進行熱能存儲與供能，具有儲熱密度高、材料范圍廣、工作溫度穩定等特點。近年來，面向可再生能源高密度儲能及電子器件熱管理的重大需求，采用相變材料PCM實現熱能轉換存儲及被動式溫度調節成為能源領域的研究熱點之一，然而，以固-液相變為代表的傳統PCM存在熱導率低、易泄露、相分離和過冷度大等問題，嚴重制約PCM的發展與應用。針對上述問題，研究人員常采用物理/化學封裝PCM來制備定形相變儲熱復合材料解決泄露和相分離問題；為了提高PCM的熱導率，通過在PCM中添加高導熱功能介質發展導熱型相變儲熱復合材料以增強有效熱導率。此外，針對特定的能量轉化、傳輸與存儲以及溫度調控需求，采用功能性材料對傳統PCM進行改性拓展了相變儲能模式及其應用領域。論文立足PCC的研究現狀和關鍵問題，重點介紹了定形相變儲熱復合材料PCC的制備方法、熱性能提升、能量轉化存儲及熱管理應用，分析了目前定形相變儲熱復合材料面臨的挑戰和機遇，對高性能相變儲熱復合材料的發展趨勢進行了展望。

02 文章簡介

1、定形相變儲熱復合材料的制備方法

定形PCC與傳統PCM相比，具有防泄露、過冷度小、導熱系數高和熱穩定性好等優點。根據PCC的形貌和儲熱機理的不同，PCC的制備方法可歸納為三種：混合法，包括機械混合、自擴散、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；化學聚合法，包括即接枝法、嵌段法、交聯法。混合法是當前最常采用的PCC制備技術，通過將PCM與固體填料或多孔材料進行物理混合或吸附來制備PCC，利用多孔材料的毛細力防止液態PCM的泄露問題，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的儲能密度，此外PCC儲/放熱過程中其與環境的長期接觸對材料的熱穩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微殼中構建“核-殼”結構PCC的微膠囊封裝法可以有效隔斷PCM與環境的接觸，從而克服純PCM的腐蝕、降解、相分離和過冷等問題，然而無機PCM（水合物鹽、熔鹽等）由于親水性差異難以膠囊化封裝，有機PCM由于相容性差異，難以采用無機殼材料進行封裝，產量低、成本高和易破裂等問題也限制了PCC微膠囊封裝法的進一步應用推廣。化學聚合法中，固-液PCM的可結晶部分通過化學鍵重構的方法結合到聚合物大分子的一級結構中，從而阻止PCM在非晶態下的自由流動以防止液態泄露，具有熱穩定性好和可實現規模化制備的優點，然而PCC聚合物制備過程中需要使用大量溶劑（DMF、甲苯等），導致制備成本的增加和對環境造成危害，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較低的相變焓值。

圖2. 定形相變儲熱復合材料制備方法（混合、微膠囊封裝、化學聚合）

 

2、相變儲熱復合材料的熱性能提升

熱導率低是制約PCM儲熱應用的另一關鍵共性難題，其嚴重影響了PCM儲熱系統的熱能存儲與釋放功率。添加高導熱填料或將PCM封裝在導熱多孔骨架內是提高PCM導熱性能最常用的兩種方法，根據材料種類和結構的不同，導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。相比于陶瓷基導熱填料，金屬基和碳基材料因其較高的本征熱導率，故對PCM熱導率的提升更為顯著。其中，以石墨烯、碳納米管為代表的碳基材料具有超高熱導率、低密度和優異的化學穩定性等優勢，在PCM導熱性能提升應用中更具優勢。相比之下，金屬基填料在高導熱PCC制備與應用中則受限于其高密度和化學活性強等因素，在各類碳基導熱填料中，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，其三維碳基骨架構成的導熱滲流網絡不僅為PCM提供了有效的熱擴散途徑，還有效緩解了相變復合材料的熔融泄露和過冷等問題，是近年來高導熱PCC的研究的熱點。值得注意的是，近期的研究結果表明采用壓力誘導自組裝的方法構建各向異性導熱骨架有助于減小PCM和導熱填料間的接觸熱和界面熱阻，實現超高熱導率PCC的制備。

圖3. 相變儲熱復合材料熱導率強化（金屬基、碳基、陶瓷基）

3、定形相變儲熱復合材料的熱管理應用

相變材料具有儲能密度高、工作溫度穩定等優點被廣泛應用在各種能源系統中進行能量存儲和溫度調控。近年來，隨著功能化PCC的改性研究和高性能PCC的開發，PCC的應用場景被進一步擴展，通過添加各種功能化的填料（如炭黑、Ti4O7、Fe3O4和石墨烯等），傳統PCM具備了實現高效光-熱、光-電、磁-熱轉化與存儲的能力，其中基于PCC的直接光-熱、電-熱轉化效率高達90%以上，磁-熱及其他類型能量轉化與存儲效率則相對較低。值得注意的是，近年來提出的基于小分子和聚合物熔融和玻璃轉化溫度調控實現光控熱能存儲與釋放技術為基于PCM的可控能量釋放和能量長期存儲提供了新的思路，但其大規模應用仍需克服量產率低、結晶不完全等問題。除相變儲能模式得到拓展外，高性能PCC在熱管理應用中也取得了許多進展，作為被動式熱管理，通過提高PCC的熱導率可有效改善動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. 相變儲熱復合材料的能量轉化、存儲及熱管理應用

03 總結與展望

實現高能量密度、高功率密度、安全高效的低成本能量存儲與熱管理是相變儲熱的主要目標研究，盡管近年來在高性能PCC制備、熱性能提升和多元化應用等方面取得了長足的進步，但定形相變儲熱復合材料的研究仍面臨諸多挑戰，在以下幾方面需要進一步研究：（1）探索高能量/功率密度和良好熱穩定性PCC的規模化制備新方法；（2）基于微觀結構和聲子傳輸的PCC導熱機理研究；（3）低成本納米導熱填料各向異性自組裝方法；（4）基于能量轉換和傳熱協同增強效應的高溫光-熱、電-熱、磁-熱轉化與存儲研究；（5）基于PCC的主/被動耦合熱管理策略研究；（6）基于多孔材料的溫度、濕度協同調控研究。總之，為滿足更廣泛的應用要求，需要圍繞PCC開展包含材料制備、熱物性、熱性能及應用在內的更深入探索。

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