【儀表網 研發快訊】電池，是當代生活最離不開的設備之一，那你是否聽說過“熱池”？熱和電都是重要的能量形式，都能被存儲和釋放。古人用冰窖存冰夏季取用、電熱水器的儲水箱等都是最樸素的“熱池”。
“熱池”可以細分為許多種類。其中，“相變熱池”利用石蠟、水合鹽、糖醇等材料在固態和液態兩種狀態轉換時吸收或釋放的“相變潛熱”來存儲熱量。但儲存能量多和充放熱速度快這一對矛盾始終阻礙著“相變熱池”的性能提升。
近期，浙江大學能源工程學院研究員范利武團隊與其合作者提出全新的“滑移強化接觸熔化”機制，用“全固態復合表面”給相變熱池內壁做了個“滑溜溜的改造”，為打破這一難題提供了新的思路。相關工作以《Pulse heating and slip enhance charging of phase-change thermal batteries》為題，于北京時間1月8日發表在《Nature》上。范利武，寧波大學教授葉羽敏及普林斯頓大學博士后胡楠為論文共同通訊作者，浙江大學博士生李梓瑞為第一作者。
儲熱材料“自滑動、快傳熱”
“石蠟、水合鹽、糖醇在相變時儲熱密度很高，很小一塊就能‘裝’下很多熱量，但這類儲熱天賦高的材料導熱能力往往很差，充熱速度很慢。”范利武介紹，傳統提升熱池充熱速度的方法，要么是往相變材料里摻高導熱填料，雖然導熱快了，但擠占了存儲空間，導致儲熱能量密度下降；要么靠壓力、磁力等外力幫忙，既費電又復雜，系統難以循環運行導致無法大規模應用。
團隊另辟蹊徑，瞄準了“接觸式傳熱”這個關鍵。他們給熱池內壁做了層超滑處理，讓固態的相變材料不粘壁，靠自身重力一直緊貼底部熱源，近距離接受不斷傳來的熱量，使“熱池”全程保持高傳熱速率。該方法不依賴特殊的相變材料，只通過優化相變熱池內壁環境實現高效傳熱。
基于邊界滑移強化的快充相變熱池設計
這一核心思路最終落地為“全固態復合表面”，其由能脈沖加熱的薄膜(預熱層)與覆蓋在薄膜表面的“類液涂層”(滑移界面)組成。加熱薄膜通過產生微小熱量，使緊貼熱池內壁的相變材料形成一層約40微米厚的超薄液膜——這個厚度比一根頭發絲還細，卻能讓固體相變材料瞬間脫離壁面，在壁面上“滑動”；而粗糙度只有不到1納米的類液涂層，能讓液體相變材料在表面形成45-90微米的“滑移長度”，大幅減少滑動時的摩擦阻力。
液體相變材料在類液表面與原始表面上的滑動性能對比
“就像在鍋底涂了一層超順滑的特殊涂層，再用小火快速預熱鍋底，把一塊黃油放上去不僅不粘鍋，還能自己滑動著快速熔化。”范利武介紹，除此以外相變材料會在自身重力作用下持續下沉，把熔化產生的液膜壓得更薄，全程緊貼加熱表面高效傳熱。
跨界合作促成“快充”創意
該技術最核心的優勢，是實現了“快充”與“高儲”的雙贏。
在測試“快充”效果時，若使用普通有機相變材料，熱池的功率密度達到850 kW/m3(代表充熱速度)，能量密度保持31 kWh/m3(代表儲熱能力)；如果與導熱增強的復合相變材料結合，功率密度更是飆升至1100 kW/m3，能量密度仍有27 kWh/m3，沒有因追求速度而犧牲儲熱量。
這項成果從能源(工程熱物理)學科最基礎原理出發，集結了校內外多學科交叉優勢。寧波大學葉羽敏團隊的超滑涂層技術、普林斯頓大學胡楠所在團隊的微流體建模技術帶來關鍵支撐，形成了強大的科研合力。
“復合表面上的‘類液涂層’就是結合了主要合作者、材料學院校友葉羽敏團隊的一項研究成果，我們在一次數小時的長談中促成了這個創意的落地。胡楠也是我自己培養的博士。”范利武介紹，兩位合作研究者都有著在浙江大學學習科研的經歷，大家貢獻了在各自研究領域的前沿積累，推動合作研究落地見效。
在工業應用層面，該項技術有著巨大潛力。“它可以基于現有儲熱裝備直接改造，并且可以適配多種類、多溫區的相變材料，可擴展性強。”李梓瑞介紹，該技術可廣泛應用于工業余熱回收、太陽能熱利用、電力電子熱控等領域，能夠助力企業節能減碳的同時降低能耗成本，催生綠色生產力。
長期主義培養創新型人才
日常的教學科研中，范利武總是鼓勵學生們刨根問底，去探索機制背后的理論根源。
在“滑移”這一創意萌發后，他便鼓勵團隊建立了考慮側壁拖曳力的理論模型，通過固液拖曳力測試、滑動性能測試等多種實驗反復驗證后，他們驚喜地發現當滑移長度與側壁微液膜厚度處于同一量級時，就可以在熔化過程中顯著減小對剩余固體相的拖曳作用，進而能有效觸發快速熔化。又經過大量的實驗與推導，團隊最終“閉環”了研究，在較大規模的密封式相變熱池測試裝置中展現了良好的“快充”性能。
利用邊界滑移強化接觸熔化過程
作為論文唯一第一作者，李梓瑞本科階段就加入了范利武團隊。在導師的指導下，他先積累了一定的科研基礎，再心無旁騖地全力沖刺具有挑戰性的原創難題。“這幾年的攻堅中，我們都不確定最后能產生怎么樣的成果，但是團隊的信任與默契幫助我沉下心攻關難題，投入到科學研究的‘持久戰’中。”李梓瑞說。
這種長期主義的積累，培養出了兼具扎實功底、創新思維和靈活應變的研究人才，使“會讀書的人”真正成為了“會創造的人”。
未來，團隊還計劃進一步放大熱池規模，深入解析其中的相變傳熱機理，并解決材料耐久性、循環性等關鍵工程問題。相關延伸研究已實現有機相變材料上萬小時穩定運行，具備了規模化工業應用的潛力。“我們樂見該項技術為全球能源可持續發展注入新動能，向世界展示中國在熱儲能領域的科研實力，并為能源領域的基礎突破提供信心。”范利武介紹。
(文 周天宇 查蒙/圖 哲映 部分來源于課題組)
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