時訊：微膠囊相變材料：儲能調溫顯身手

相變材料是一種利用材料在相態（物理狀態）轉變過程中，伴隨大量吸收或釋放潛熱而進行儲能/釋能的新型復合材料。

(資料圖)

宇田相變材料實驗室 杜兔平/供圖

水與冰的轉換是一個最典型的相變過程的例子。當溫度低至0℃時，水由液態變為固態（結冰）；當溫度高至0℃時水由固態變為液態（溶解）。在結冰過程中吸入并儲存了大量的冷能量，而在溶解過程中吸收大量熱能量。相變材料在相態發生變化時，自身溫度幾乎維持不變，而吸收或釋放的潛熱巨大。單位質量/體積儲熱量是熱水的4～6倍、熱油的7～8倍，蓄冷量是冷水的10～13倍。

微膠囊相變材料特性

相變材料儲熱密度大，是顯熱儲能的4～13倍，具有儲熱溫度適配性強（-52～350℃），充放熱溫度恒定，充放熱效率高（平均95%以上），安全性高（儲熱溫度適中、材料對環境友好），循環壽命長（部分材料使用壽命超過30000次以上），使用成本低（度電成本僅為鋰電池的10%～20%）的特點。

為保證相變材料的穩定性和使用年限，利用納米乳化和切割技術，將相變材料切割分散成300～500nm微顆粒，然后利用化學沉積法、物理化學法、溶膠-凝膠法等微膠囊包覆技術，將微量相變材料包封在500nm～5μm的微球中，材料在微膠囊內進行相態變化；也可采用物理封裝技術，將相變材料封裝到0.001～100m3的容器中，材料在容器內進行相態變化。

相變材料大有可為

未來建筑將向節能建筑、綠色建筑和零能耗建筑等形態發展，越來越多的儲能材料將會應用到建筑材料中。利用微膠囊技術，將其植入到水泥、砂漿、油漆、吊頂板等建材中，讓材料在使用過程中起到儲能調溫作用。例如，在建筑材料中植入23℃相變材料時，當環境溫度超過25℃，它就吸收熱量，達到室內降溫；當環境溫度低于20℃時候，它就開始釋放熱量，達到保暖效果。

工業低品位余熱余壓的二次梯級利用和綠色能源的充分使用，能夠在很大程度上助力“雙碳”目標的實現。兩種能源的特點是分散、間歇、不穩定，因此“源-網-荷-儲”是新形勢下的必然，儲能將占到未來能源系統中四分之一的份額和位置。

相變儲熱/蓄冷技術是一種高效儲能技術，即在電價較低時（用電低谷期），采用電制熱/冷機進行制熱/冷，將熱量/冷量以相變潛熱的方式儲存起來；在電價較高時（用電高峰期），再把儲存的熱/冷量以相變凝固/溶解的形式釋放出來，進而滿足負荷側對熱/冷量的需求，實現用電負荷的“移峰填谷”，完成能源在時間和空間上的轉移，為電廠和用戶降本增效。

可儲熱亦可儲冷

利用不同溫度段的相變材料，把不同品類的工業余熱、風電等新能源吸收儲存，實現空間和時間上的轉移和匹配，長效儲熱/儲冷將為碳中和貢獻重要力量。

此類材料目前已應用于羽絨服中，即在羽絨服中植入相變調溫的材料，可以讓羽絨服更輕薄的同時兼具更優的保暖性能。目前大部分羽絨服所使用的面料雖然能起到御寒效果，但在室內會燥熱，室外又容易迅速變涼，應用相變材料后，它能在環境燥熱情況下吸收多余溫度，達到體內降溫效果，在環境變冷情況下釋放多余溫度，起到保暖效果。

相變儲能熱管理材料和功能性微膠囊，以低、中、高各溫度段的相變儲能材料為基礎，以納微型、小型、中型、大型、復合型相變儲能/調溫/控溫單元/裝置/系統為依托，在電能移峰填谷（源網荷）、工業余熱回收利用、綠色節能建筑（零能耗建筑、被動房）、電器、電子產品，電池熱管理（動力電池、5G基站、儲能電站），精準冷藏、冷鏈、保鮮，軍事和消防設施冷熱管理，道路抗冰融雪，天然氣（LNG）液化和汽化過程中熱能和冷能梯級儲存利用，生活熱管理（智能調溫生活用品），人體熱舒性管理（智能控溫穿戴）等領域將提供一系列的技術產品和應用解決方案。

在“雙碳”目標的引領下，相變材料將充分發揮其特性而被應用于更多領域更多場景。

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