熱能占全球能量轉(zhuǎn)換與利用過程的約90%，除了提升儲能容量外，熱能需要被快速存儲于熱電池中，以便在特定時間和地點釋放以滿足可再生能源應(yīng)用的需求。然而，常見相變材料，特別是具有高熔融焓的有機材料，固有的低熱導(dǎo)率嚴重限制了其功率密度，這對實現(xiàn)兼具高能量密度與快速充電能力的相變熱電池構(gòu)成了嚴峻挑戰(zhàn)。
【工作介紹】
在此，浙江大學(xué)范利武研究員，普林斯頓大學(xué)胡楠和寧波大學(xué)葉羽敏教授等人報道了一種基于復(fù)合涂層理性設(shè)計的策略，可在密封熱電池內(nèi)部實現(xiàn)滑移增強型緊密接觸熔化，從而在不犧牲能量密度的前提下大幅提升充電倍率。使用有機相變材料的原型器件實現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的功率密度1100±2% kW m-3。該涂層設(shè)計集成了脈沖加熱層（用于預(yù)熱相變材料以觸發(fā)緊密接觸熔化）與類液體滑移表面（確保剩余固體順暢下沉并維持滑移增強熔化模式持續(xù)進行），建立了理論模型闡釋滑移表面對充電倍率的增強機制。該策略具有高循環(huán)壽命、適應(yīng)性強和可擴展性好的特點，可適用于多種相變材料體系，為實現(xiàn)寬溫域內(nèi)的高性能熱能存儲提供了通用解決方案。
相關(guān)研究成果以“Pulse heating and slip enhance charging of phase-change thermal batteries”為題發(fā)表在Nature 上。
【內(nèi)容表述】
如圖1a所示，電化學(xué)電池與相變熱電池的充電過程具有相似性，均涉及在外加負載驅(qū)動下電荷/熱載流子的遷移。但關(guān)鍵區(qū)別在于熱電池的熱阻RT取決于熱導(dǎo)率k以及由傳導(dǎo)和/或?qū)α鳑Q定的局部溫度梯度（dT/dx），這使得提升相變熱電池的功率密度極限面臨挑戰(zhàn)。
傳統(tǒng)提升功率密度的方法主要依賴添加不同尺度的嵌入物/填料，以制備具有更高等效熱導(dǎo)率的復(fù)合相變材料。復(fù)合相變材料的熱導(dǎo)率在填料添加量為30 wt%時可達到約33 W m-1 K-1，但不可避免地會犧牲能量密度作為代價，且充電功率密度隨材料尺寸增大而急劇下降。
本文提出一種新型滑移增強型緊密接觸熔化機制，能夠以近乎被動的方式實現(xiàn)相變熱電池的快速充電，通過在相變材料容器的內(nèi)側(cè)壁面施加由脈沖加熱層和類液體滑移表面層構(gòu)成的全固態(tài)復(fù)合涂層，實現(xiàn)了滑移增強型緊密接觸熔化模式。脈沖加熱層僅需極少預(yù)熱能量即可使固態(tài)相變材料與側(cè)壁分離，在充電開始時觸發(fā)緊密接觸熔化。隨后類液體滑移表面層促進剩余固態(tài)相變材料的下沉，維持其與加熱底部之間增強的“緊密接觸”狀態(tài)。
圖1. 相變熱電池的快速充電。
為驗證滑移增強型緊密接觸熔化策略的有效性，作者構(gòu)建了可視化單層熱電池單元。其核心在于采用了一種具有納米梯度多層設(shè)計的全固態(tài)類液體滑移表面層。該涂層厚度約200納米，具備高機械強度、亞納米級粗糙度及優(yōu)異的滑移性能，滑移長度測量值在45至90微米之間。通過對比傳統(tǒng)熔化與sCCM模式發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)過程中，固態(tài)相變材料緊密附著側(cè)壁，嚴重阻礙了緊密接觸熔化的自發(fā)啟動，導(dǎo)致前期熔化緩慢；而在sCCM策略下，由脈沖加熱層形成的極薄液膜（約40微米）與類液體滑移表面的協(xié)同作用，不僅使固態(tài)相變材料更早脫離側(cè)壁并下沉以觸發(fā)緊密接觸熔化，還通過降低液膜剪切應(yīng)力和熱阻，在整個充電過程中持續(xù)強化傳熱。實驗結(jié)果表明，該技術(shù)將典型有機相變材料的完全熔化時間從約30分鐘大幅縮短至不足3分鐘，即使在全密封條件下仍能保持顯著的強化效果。
圖2. 支持sCCM的快速充電過程。
進一步建立了滑移增強型緊密接觸熔化理論模型，通過推導(dǎo)描述固態(tài)相變材料剩余高度演化的非線性微分方程，并結(jié)合并聯(lián)熱阻網(wǎng)絡(luò)分析，揭示了邊界滑移效應(yīng)強化傳熱的機理。模型預(yù)測與實驗高度吻合，證實預(yù)熱形成的約40微米液膜與45-90微米滑移長度的協(xié)同作用，可使熔化速率顯著提升。理論分析表明，滑移增強型緊密接觸熔化模式在整個充電過程中能持續(xù)保持高于1000千瓦/立方米的功率密度，其等效熱阻僅為傳統(tǒng)緊密接觸熔化的一半，比純導(dǎo)熱模式低一個數(shù)量級。此外，研究通過無量綱參數(shù)揭示了單元幾何結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律：在固定相變材料體積下，減小內(nèi)外半徑比可提升功率密度。
圖3. sCCM的流動與熱分析。
通過原型熱電池測試系統(tǒng)評估了滑移增強型緊密接觸熔化技術(shù)的實際性能。拉貢圖分析表明，該技術(shù)在能量密度（31–57 kWh m-3）與功率密度（540–1100 kW m-3）的綜合表現(xiàn)上顯著優(yōu)于傳統(tǒng)對流熔化、添加導(dǎo)熱填料及主動壓力驅(qū)動等方法，尤其在50%荷電狀態(tài)下功率密度可達約1100 kW m-3。其等效熱導(dǎo)率在保持相變材料本征熔融焓（212 J g-1）的前提下提升至8.1 W m-1 K-1，較原始材料提高30倍。經(jīng)50次完整熔凝循環(huán)測試，該機制展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，充電時間縮短近50%，不同荷電狀態(tài)下功率密度波動小于4%，外推200次循環(huán)后功率密度保持率仍高于80%。該研究證實sCCM機制在無需運動部件、不犧牲能量密度的前提下，為實現(xiàn)高功率、長壽命的相變熱儲能系統(tǒng)提供了可靠的技術(shù)路徑。
圖4. 一種支持sCCM的熱電池的性能。
【全文總結(jié)】
綜上所述，為解決相變熱電池在保持高能量密度的同時實現(xiàn)快速充電的難題，本文提出了滑移增強型緊密接觸熔化機制。該策略通過脈沖加熱層與滑移表面協(xié)同作用，不僅能快速觸發(fā)緊密接觸熔化過程，更能在整個充電周期持續(xù)提升傳熱效率。由于該機制可適配具有不同熔點的各類有機與無機相變材料，且加熱界面與滑移表面具備良好可擴展性，滑移增強型緊密接觸熔化為開發(fā)兼具高能量密度與超快充電能力的高性能相變熱電池提供了一條實用且經(jīng)濟高效的路徑。
【文獻信息】
Zi-Rui Li, Nan Hu?, Zhen-Bo Wang, Guo-Tao Fu, Yang-Yan Lai, Yue-Fei Wu, Jia-Jie Jiang, Xiao-Rong Wang, Shuang-Shuang Ni, Yu-Min Ye?, Zi-Tao Yu, Xiang Gao, Howard A. Stone& Li-Wu Fan?*, Pulse heating and slip enhance charging of phase-change thermal batteries, Nature, https://doi.org/10.1038/s41586-025-09877-0
