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破解相变储热材料导热低的难题提供新思路

上海交大制冷所在Advanced Materials发表交叉学科研究论文

为提出通过构建大尺寸石墨纳米片合成高导热复合相变材料的新思路

近日, 上海交大制冷与低温工程研究所王如竹教授和李廷贤副教授等组成的能源-空气-水ITEWA创新团队(Innovative Team for Energy, Water & Air)与材料学院邓涛教授和密西根学院鲍华教授等跨学科合作,在材料领域顶级期刊Advanced Materials上发表了题目为“High-Performance Thermally Conductive Phase Change Composites by Large-Size Oriented Graphite Sheets for Scalable Thermal Energy Harvesting”的研究论文,提出了通过构建大尺寸石墨纳米片合成高导热复合相变材料的热设计新思路。研究团队通过巧妙的材料设计采用低成本、高产量的膨胀石墨作为导热强化添加剂,获得了比高成本石墨烯更优越的导热强化效果,该方法有望加快相变材料在规模化储热及电子器件热管理方面的商业应用。本文的第一作者是制冷所博士研究生仵斯和李廷贤副教授,通讯作者是李廷贤副教授、王如竹教授和邓涛教授。

随着能源紧缺问题日益紧张,储能技术越来越受到重视。储能技术可以实现能源供给与需求在时间、空间及强度上的匹配,提高能源利用效率。全球90%的能源预算围绕热的转换、输运和储存,因此,热能储存技术在热量调配和提高能源综合利用效率方面具有非常重要的作用。基于相变材料的潜热储存具有储热密度高、放热过程温度近似恒定、结构简单、成本低等优点。然而,相变材料的热导率较低严重限制其充/放热功率及热响应速度,进而制约实际应用。现有复合相变材料合成方法主要采用二维碳材料(如石墨纳米片、多层石墨烯及单层石墨烯)用作添加剂强化相变材料的热导率,这些二维碳材料在微纳米尺度时具有超高的本征热导率(>1500 W/mK)。然而将这些微纳米尺度的高导热添加剂与相变材料复合时,因接触热阻较大和导热的各向异性导致复合材料的热导率不理想,即使二维碳材料的含量高达50 wt%,想获得热导率高于10W/mK的复合相变材料仍然具有挑战性。

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本论文提出通过从天然石墨片直接构建大尺寸石墨纳米片的方法合成高导热复合相变材料的概念,其优点在于:(1)采用天然石墨片直接获得大尺寸石墨纳米片,低成本且易制备;(2)复合材料合成过程中(包括PCM颗粒粘附、融化吸附形成PCM涂层、压力诱导石墨纳米片定向组装等)实现大尺寸导热骨架重构。基于上述材料热设计方法合成的复合相变材料,在添加剂含量低于40 wt% 时,复合材料热导率可高达 35 W/mK。另外,获得的复合相变材料同时具有较高的热导率和热效能,通过比较发现,热导率比文献中数据高出2~6倍。

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在上述基础上论文还对高性能复合相变材料的应用进行了研究,提出了复合相变材料高导热方向与传热方向相互协调的热管理器件制备方法,利用石墨片层作为高导热碳翅片实现强化换热,通过将复合相变材料与换热管结合开发了1kWh高效储热器件和15kWh高效相变蓄热系统。此外,将复合相变材料用于动力电池热管理可对高倍率工作下的电池进行有效控温,延长工作时间。

该研究工作得到了国家自然科学基金创新研究群体项目(51521004)和国家重点研发计划项目(2018YFE0100300) 的资助。王如竹教授领衔的ITEWA团队曾在Joule、iScience、Research上发表过论文,该团队致力于解决能源、水、空气交叉领域的前沿基础性科学问题和关键技术,旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案,推动相关领域取得突破性进展。

附:Advanced Materials期刊简介 

Advanced Materials是工程与计算大学科、材料与化学大领域(包含材料化学、材料物理、生物材料、纳米材料等非常多的子学科,以及大量与材料相关的研究领域)的顶级期刊,影响因子为25.809,在国际材料领域科研界享誉盛名。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201905099

制冷与低温工程研究所
机械与动力工程学院