【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】電池，是當(dāng)代生活最離不開(kāi)的設(shè)備之一，那你是否聽(tīng)說(shuō)過(guò)“熱池”？熱和電都是重要的能量形式，都能被存儲(chǔ)和釋放。古人用冰窖存冰夏季取用、電熱水器的儲(chǔ)水箱等都是最樸素的“熱池”。
 

　　“熱池”可以細(xì)分為許多種類(lèi)。其中，“相變熱池”利用石蠟、水合鹽、糖醇等材料在固態(tài)和液態(tài)兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)吸收或釋放的“相變潛熱”來(lái)存儲(chǔ)熱量。但儲(chǔ)存能量多和充放熱速度快這一對(duì)矛盾始終阻礙著“相變熱池”的性能提升。
 

　　近期，浙江大學(xué)能源工程學(xué)院研究員范利武團(tuán)隊(duì)與其合作者提出全新的“滑移強(qiáng)化接觸熔化”機(jī)制，用“全固態(tài)復(fù)合表面”給相變熱池內(nèi)壁做了個(gè)“滑溜溜的改造”，為打破這一難題提供了新的思路。相關(guān)工作以《Pulse heating and slip enhance charging of phase-change thermal batteries》為題，于北京時(shí)間1月8日發(fā)表在《Nature》上。范利武，寧波大學(xué)教授葉羽敏及普林斯頓大學(xué)博士后胡楠為論文共同通訊作者，浙江大學(xué)博士生李梓瑞為第一作者。
 

　　儲(chǔ)熱材料“自滑動(dòng)、快傳熱”
 

　　“石蠟、水合鹽、糖醇在相變時(shí)儲(chǔ)熱密度很高，很小一塊就能‘裝’下很多熱量，但這類(lèi)儲(chǔ)熱天賦高的材料導(dǎo)熱能力往往很差，充熱速度很慢。”范利武介紹，傳統(tǒng)提升熱池充熱速度的方法，要么是往相變材料里摻高導(dǎo)熱填料，雖然導(dǎo)熱快了，但擠占了存儲(chǔ)空間，導(dǎo)致儲(chǔ)熱能量密度下降；要么靠壓力、磁力等外力幫忙，既費(fèi)電又復(fù)雜，系統(tǒng)難以循環(huán)運(yùn)行導(dǎo)致無(wú)法大規(guī)模應(yīng)用。
 

　　團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，瞄準(zhǔn)了“接觸式傳熱”這個(gè)關(guān)鍵。他們給熱池內(nèi)壁做了層超滑處理，讓固態(tài)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(lái)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(guò)優(yōu)化相變熱池內(nèi)壁環(huán)境實(shí)現(xiàn)高效傳熱。
 

基于邊界滑移強(qiáng)化的快充相變熱池設(shè)計(jì)
 

　　這一核心思路最終落地為“全固態(tài)復(fù)合表面”，其由能脈沖加熱的薄膜(預(yù)熱層)與覆蓋在薄膜表面的“類(lèi)液涂層”(滑移界面)組成。加熱薄膜通過(guò)產(chǎn)生微小熱量，使緊貼熱池內(nèi)壁的相變材料形成一層約40微米厚的超薄液膜——這個(gè)厚度比一根頭發(fā)絲還細(xì)，卻能讓固體相變材料瞬間脫離壁面，在壁面上“滑動(dòng)”；而粗糙度只有不到1納米的類(lèi)液涂層，能讓液體相變材料在表面形成45-90微米的“滑移長(zhǎng)度”，大幅減少滑動(dòng)時(shí)的摩擦阻力。
 

液體相變材料在類(lèi)液表面與原始表面上的滑動(dòng)性能對(duì)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(yù)熱鍋底，把一塊黃油放上去不僅不粘鍋，還能自己滑動(dòng)著快速熔化。”范利武介紹，除此以外相變材料會(huì)在自身重力作用下持續(xù)下沉，把熔化產(chǎn)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(chuàng)意
 

　　該技術(shù)最核心的優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)了“快充”與“高儲(chǔ)”的雙贏。
 

　　在測(cè)試“快充”效果時(shí)，若使用普通有機(jī)相變材料，熱池的功率密度達(dá)到850 kW/m3(代表充熱速度)，能量密度保持31 kWh/m3(代表儲(chǔ)熱能力)；如果與導(dǎo)熱增強(qiáng)的復(fù)合相變材料結(jié)合，功率密度更是飆升至1100 kW/m3，能量密度仍有27 kWh/m3，沒(méi)有因追求速度而犧牲儲(chǔ)熱量。
 

　　這項(xiàng)成果從能源(工程熱物理)學(xué)科最基礎(chǔ)原理出發(fā)，集結(jié)了校內(nèi)外多學(xué)科交叉優(yōu)勢(shì)。寧波大學(xué)葉羽敏團(tuán)隊(duì)的超滑涂層技術(shù)、普林斯頓大學(xué)胡楠所在團(tuán)隊(duì)的微流體建模技術(shù)帶來(lái)關(guān)鍵支撐，形成了強(qiáng)大的科研合力。

 

　　“復(fù)合表面上的‘類(lèi)液涂層’就是結(jié)合了主要合作者、材料學(xué)院校友葉羽敏團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)研究成果，我們?cè)谝淮螖?shù)小時(shí)的長(zhǎng)談中促成了這個(gè)創(chuàng)意的落地。胡楠也是我自己培養(yǎng)的博士。”范利武介紹，兩位合作研究者都有著在浙江大學(xué)學(xué)習(xí)科研的經(jīng)歷，大家貢獻(xiàn)了在各自研究領(lǐng)域的前沿積累，推動(dòng)合作研究落地見(jiàn)效。
 

　　在工業(yè)應(yīng)用層面，該項(xiàng)技術(shù)有著巨大潛力。“它可以基于現(xiàn)有儲(chǔ)熱裝備直接改造，并且可以適配多種類(lèi)、多溫區(qū)的相變材料，可擴(kuò)展性強(qiáng)。”李梓瑞介紹，該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于工業(yè)余熱回收、太陽(yáng)能熱利用、電力電子熱控等領(lǐng)域，能夠助力企業(yè)節(jié)能減碳的同時(shí)降低能耗成本，催生綠色生產(chǎn)力。
 

　　長(zhǎng)期主義培養(yǎng)創(chuàng)新型人才
 

　　日常的教學(xué)科研中，范利武總是鼓勵(lì)學(xué)生們刨根問(wèn)底，去探索機(jī)制背后的理論根源。
 

　　在“滑移”這一創(chuàng)意萌發(fā)后，他便鼓勵(lì)團(tuán)隊(duì)建立了考慮側(cè)壁拖曳力的理論模型，通過(guò)固液拖曳力測(cè)試、滑動(dòng)性能測(cè)試等多種實(shí)驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證后，他們驚喜地發(fā)現(xiàn)當(dāng)滑移長(zhǎng)度與側(cè)壁微液膜厚度處于同一量級(jí)時(shí)，就可以在熔化過(guò)程中顯著減小對(duì)剩余固體相的拖曳作用，進(jìn)而能有效觸發(fā)快速熔化。又經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)與推導(dǎo)，團(tuán)隊(duì)最終“閉環(huán)”了研究，在較大規(guī)模的密封式相變熱池測(cè)試裝置中展現(xiàn)了良好的“快充”性能。
 

利用邊界滑移強(qiáng)化接觸熔化過(guò)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(tuán)隊(duì)。在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，他先積累了一定的科研基礎(chǔ)，再心無(wú)旁騖地全力沖刺具有挑戰(zhàn)性的原創(chuàng)難題。“這幾年的攻堅(jiān)中，我們都不確定最后能產(chǎn)生怎么樣的成果，但是團(tuán)隊(duì)的信任與默契幫助我沉下心攻關(guān)難題，投入到科學(xué)研究的‘持久戰(zhàn)’中。”李梓瑞說(shuō)。
 

　　這種長(zhǎng)期主義的積累，培養(yǎng)出了兼具扎實(shí)功底、創(chuàng)新思維和靈活應(yīng)變的研究人才，使“會(huì)讀書(shū)的人”真正成為了“會(huì)創(chuàng)造的人”。
 

　　未來(lái)，團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃進(jìn)一步放大熱池規(guī)模，深入解析其中的相變傳熱機(jī)理，并解決材料耐久性、循環(huán)性等關(guān)鍵工程問(wèn)題。相關(guān)延伸研究已實(shí)現(xiàn)有機(jī)相變材料上萬(wàn)小時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行，具備了規(guī)?；I(yè)應(yīng)用的潛力。“我們樂(lè)見(jiàn)該項(xiàng)技術(shù)為全球能源可持續(xù)發(fā)展注入新動(dòng)能，向世界展示中國(guó)在熱儲(chǔ)能領(lǐng)域的科研實(shí)力，并為能源領(lǐng)域的基礎(chǔ)突破提供信心。”范利武介紹。
 

　　(文 周天宇 查蒙/圖 哲映 部分來(lái)源于課題組)