全球经济的快速发展导致对能源的需求快速增长，如今能量储存已成为可再生能源技术体系的重要组成部分。其中，热能储存系统（Thermal energy storage system，TESS）是一种通过加热或冷却存储介质来储存热能，以便在以后的时间里可以使用储存的能量来为加热和冷却提供能源。热能储存技术在建筑物和工业过程中使用，可以提高整体效率和可靠性，并能得到更好的经济效益，减少投资和运行成本，减少环境污染，减少碳的排放。

光热电站储热系统

储热系统一般是将热量存储在储热介质中，高能量密度和高放热吸热效率是所有储热系统的理想特性。从目前世界研究的方向来看，热量存储一般可以分为显热储存、潜热储存和化学储存这三种方式。

其中显热储存材料在能量释放过程中温度不能保持稳定，而且在热交换中热损失较高，不能长期保存热量，且蓄热能力较低，不能满足如今的工业要求；化学储热是利用储热材料可逆吸热/放热反应过程来储存和释放热量，尽管这种方法储热能力比较好，热损失比较小，但是要面临储热材料对设备的腐蚀、传热和传质能力差和材料开发难等问题，限制了实际应用；潜热储存技术是利用相变材料在相变过程中吸收或释放热量，从而进行热量交换，弥补了显热储存不能长期保存热量的缺点，而且储能密度较大，没有化学反应的发生，不会对生态环境造成危害。

相变材料热量交换特性

因此在储热领域最有前景的便是潜热储存，不仅可以解决热能在时间和空间上不匹配的问题，而且还可以应用于纺织、建筑和航天等领域。

相变材料的种类

一、按相变化分类

按蓄热过程中相的变化可分为固-固、固-液、固-气和液-气相变材料。由于固-气和液-气相变材料在相变过程中体积变化很大，对储热设备要求高，通常不易在实际中应用。

（1）固-固相变材料

固-固相变材料主要包括多元醇类（季戊四醇、新戊二醇、三羟甲基乙烷等）、无机盐类（Li2SO4、KHF2 等）和有机高分子类（高密度聚乙烯等）。

固-固相变材料是通过物质晶体结构的转换来吸收和释放热量，在转换过程中不存在相态的变化，所以体积变化小，没有过冷和泄露等问题，但是不适合与其他材料进行复合，否则会影响晶体结构的转换，降低材料的储热能力，不适合大规模的应用。

（2）固-液相变材料

固-液相变材料凭借材料来源广泛、价格低廉、较高相变潜热等优点逐渐成为研究的热点，主要包括高级脂肪烃类（正十六烷、正十八烷、石蜡等）、脂肪酸及其酯类（硬脂酸、棕榈酸等）、结晶水合盐类（Na₂SO₄·10H₂O、Mn(NO₃)₂·6H₂O 等）、熔融盐类（LiF、NaF、CaF₂等）、金属及合金类（铅-锡合金等）和高分子类（聚乙二醇等）。

储热相变材料

二、按材料成分分类

按相变材料的成分可以分为有机、无机、共晶相变材料。

（1）有机相变材料

有机相变材料可以在不发生相分离的情况下多次熔化和凝固，且在结晶的时候有很小或者没有过冷度，通常不具有腐蚀性，一般分为石蜡类（烷烃类及其混合物）和非石蜡类（脂肪酸、醇类、脂类等及其衍生物）。

在实际应用中，考虑到成本问题，大多采用工业石蜡，有机相变材料物理化学性质稳定，具有过冷度小、相变潜热较大、热稳定性好等优点，但是导热系数较小，传热能力较差。

（2）无机相变材料

无机相变材料主要被应用于低温和高温环境中，包括结晶水合盐类、熔融盐类（硝酸盐、碳酸盐、卤化物等）、金属类。其中因水合盐相变过程容易因各组分密度不一致发生相分离，限制了其应用；熔融盐一般用于工业余热的回收和航天领域；金属类金属类一般由低熔点金属及其合金组成，它们具有很高的相变焓值、良好的热稳定性及其高导热能力，可以被用于发电厂回收余热或存储热量。

（3）共晶相变材料

共晶相变材料一般是具有相似或一致熔点和凝固点的材料组合，包括无机-无机、有机-有机或者无机-有机相变材料的二元或多元共晶体系，通过混合多种相变材料克服单一相变材料的缺点，使其更好的应用于实际情况。

相变材料的增强导热方法

除了相变材料的储能密度、相变温度，相变材料的导热性能也是评价相变材

料重要性能之一。对于大多数相变材料（尤其是有机相变储能材料）而言，其导热系数往往都很低，影响实际使用效果，因此需要增强相变材料的导热率。

一、添加纳米材料增强导热

增强相变材料导热率的一种方法是在储热系统中使用纳米材料或者高导热材料，例如纳米颗粒（铜、氧化铜、铝、二氧化硅等）、纳米片、纳米线、纳米管、和纳米纤维等。

以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或金属氧化物粒子，形成新的强化传热介质。纳米流体导热系数增大的原因，一是固体颗粒的加入改变了基础液体的结构，增强了混合物内部的能量传递过程，使得导热系数增大；二是纳米粒子的小尺寸效应，使得粒子与液体间有微对流现象存在，这种微对流增强了粒子与液体间的能量传递过程，增大了纳米流体的导热系数。

二、导热材料复合

将高导热材料与相变材料进行复合是提高相变材料导热的另一种方法，最常见的是利用石墨、石墨烯、碳纤维等与相变材料进行复合。

（1）碳纤维

碳纤维具有导热系数高（约为10~140W/mK）、比重小、高张力、高弹性和热膨胀系数等优点，能与绝大多数相变材料相容，耐腐蚀能力较强，且纤维直径很小，有利于在材料中均匀布置，作为强化传热物质一直备受研究者关注。

碳纤维复合相变材料

（2）膨胀石墨

膨胀石墨是以鳞片石墨为原料采用特殊工艺，使鳞片石墨沿层间方向膨化而成的产物。它既保留了天然鳞片石墨的导热性好、无毒害等优良性质，又具有天然鳞片石墨所没有的吸附性、生态环境协调性以及生物相容性等特征。

在以石蜡为相变材料时多辅以膨胀石墨来提高其热导率。

石蜡复合膨胀石墨

相变材料的应用

一、相变材料在航天领域的应用

航天器在发射到太空中在与大气层摩擦时会产生大量的热，这些热量经接触面传递到航天器内部，使仪器设备过热从而影响航天器的稳定性。所以需要对航天器进行热控制，减少高温外壳传递给航天器内部的热量，或者增加仪器设备的热容量从而控制仪器设备的温度。

相变材料具有较大的储热能力，可以包裹在仪器设备的表面吸收外部环境热源，减少内部温度上升幅度，保持在一定的温度范围。

二、相变材料在建筑领域的应用

随着人们对环保能源的需求不断增加，开发节能和高效热管理的建筑材料已经成为研究的热点，在建筑产品中加入潜热储存材料可以极大地提高蓄热能力。

相变材料具有较高的存储密度和较小的温度变化，在建筑物的墙壁、天花板和地板的热量储存可以通过在这些内部封装或者嵌入合适的相变材料来增强，它们可以直接捕获太阳能或者通过自然对流来获取热能，降低建筑内部空气温度波动幅度，使得室内温度在较长的时间内保持在人体所需的温度范围内，从而增加人体的舒适度。

三、相变材料在太阳能领域的应用

储能已成为可再生能源技术系统的重要组成部分，太阳能热利用系统相较于于光伏系统，具有较高的利用效率，可以在白天利用太阳能，然而它没有足够的储热备份来在太阳辐射小或者没有太阳辐射时保持运行。相变材料的利用可以使太阳能热利用系统达到24h高效利用。

四、相变材料在电池热管理领域的应用

随着锂离子电池市场在个人电子、电动交通和固定储能方面的不断增长，锂

离子电池的安全问题面临着持续挑战。电池热失控会造成严重风险，所以每个设计阶段都需要保护措施。对电池进行热管理是一种解决电池热失控的有效方法。

利用相变材料的高储热密度吸收电池在使用过程中释放出的热量，有效的防止电池发生热失控。

五、相变材料作为热界面材料的应用

热界面材料(TIM)是一种普遍用于IC封装和电子散热的材料，主要作用是填补两种材料接合或接触时表面产生的微空隙及凹凸不平的孔洞，减少热传递的阻抗,提高散热性。

相变热界面材料融合了导热垫片和导热膏的双重优点，在达到相变温度之前，具有和导热垫片类似的优点，具有良好的弹性和塑性，但当电子器件工作温度升高到熔点以上时，就会发生相变成为液态，从而有效地润湿热界面，具有和导热膏一样的填充能力，能够最大程度地填充界面空隙，可以使两材料界面之间的热阻大幅度下降。

此外，相变热界面材料还具有能量缓冲的效果，通过相变过程的热量吸收或释放，额外增加热耗散的路径，有利于余热的传播和扩散，防止温度急剧上升，使器件的工作温度得到缓解，从而延长使用寿命。

总结

相变材料的开发已逐步进入实用阶段，主要用于控制关键器件温度、利用太阳能、储存工业反应中的余热和废热。低温储能主要用于废热回收、太阳能储存及供暖和空调系统，高温储能用于热机、太阳能电站、磁流体发电及人造卫星等方面，在工程保温材料、医疗保健产品、航空航天器材、军事侦察、日常生活用品等方面具有广阔的应用前景。

今后相变储能材料的发展主要体现在以下几个方面：

（1）进一步筛选符合环保的低价的有机相变储能材料；

（2）开发复合相变储热材料是克服单一无机或有机相变材料不足、提高其应用性能的有效途径；

（3）针对相变材料的应用场合，开发出多种复合手段和复合技术，研制出多品种的系列复合相变材料是复合相变材料的发展方向之一；

（4）开发多元相变组合材料。在同一蓄热系统中采用相变温度不同的相变材料合理组合，可以显著提高系统效率，维持相变过程中相变速率的均匀性。这对于蓄热和放热有严格要求的蓄能系统具有重要意义；

（5）进一步关注高温储热和空调储冷。太阳能热动力发电技术是一项新技术，是最有前途的能源解决方案之一，必将极大地推动高温相变储热技术的发展。另外，低温储热技术是当前空调行业研究开发的热点，并将成为重要的节能手段。

（6）利用纳米材料的特点制备新型高性能纳米复合相变储热材料是制备高性能复合相变材料的新途径。

参考来源：

1. 相变复合材料的制备及其导热性能研究，朱洪宇（兰州理工大学）；

2. 改善相变材料导热性能研究综述，李夔宁、郭宁宁、王贺（重庆大学动力工程学院）；

3. 相变储能材料的应用及研究现状，尚燕、张雄（同济大学材料科学与工程学院）。

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