无机相变储能材料的研究进展及应用

刘良珍

德化陶瓷职业技术学院陶瓷工程系 德化362500

无机相变储能材料的研究进展及应用

刘良珍

德化陶瓷职业技术学院陶瓷工程系 德化362500

阐述了无机相变储能材料当前的研究进展情况，介绍了无机相变材料的储能机理，制备方法。讨论了无机相变储能材料多种领域的应用以及它未来的发展方向。

无机相变材料；储能；潜热

随着矿物能源的枯竭性危机和环境污染问题的出现，人们越来越意识到如何提高能源使用效率和开发可再生能源的重要性。利用无机相变材料的相变潜热实现能量的储存和利用，有助于提高能效和开发再生能源。在相变过程中，相变储能材料与环境进行能量交换，从而达到控制环境温度和能量目的。由于有机相变储能材料使用温度范围比较窄，而无机相变储能材料其使用温度范围宽，同时它还具有具有储能密度高、体积小巧、温度控制恒定、节能效果显著、易于控制等优点，因此它在各个领域都具有重要的应用价值和广阔的前景。

1、无机相变储能材料的蓄热机理

无机相变材料具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力。以固－液相变为例，在加热到熔化温度时，就产生从固态到液态的相变，熔化的过程中，相变材料吸收并储存大量的潜热；当相变材料冷却时，储存的热量在一定的温度范围内要散发到环境中去，进行从液态到固态的逆相变。在这两种相变过程中，所储存或释放的能量称为相变潜热。物理状态发生变化时，材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，形成一个宽的温度平台，虽然温度不变，但吸收或释放的潜热却相当大。为了更好的应用和改善无机相变储能材料的性能常利用一些方法进行测试和改进。主要用实验研究。例如：差示扫描量热计（DSC）测试无机储能材料的相变温度、潜热等参数。

2、相变材料的选择

选择合适的相变材料至关重要，应具有以下几个特点：（1）熔化潜热高，使其在相变中能贮藏或放出较多的热量；（2）相变过程可逆性好、膨胀收缩性小、过冷或过热现象少；（3）有合适的相变温度，能满足需要控制的特定温度；（4）导热系数大，密度大，比热容大；（5）相变材料无毒，无腐蚀性，成本低，制造方便。在实际研制过程中，要找到满足这些理想条件的相变材料非常困难。因此，人们往往先考虑有合适的相变温度和有较大相变潜热的相变材料，而后再考虑各种影响研究和应用的综合性因素。

3、无机相变储能材料的制备技术

相变储能材料种类繁多，而无机相变储能材料作为其中1个分支，近年来研究比较活跃。就目前国内外研究现状来看，主要制备工艺有：混合烧结法和熔融浸渗法

3.1 混合烧结法

通过在基体材料中混合一定比例的无机盐(即相变材料)和添加剂，然后经过成型、高温烧结，相变材料保持在基体中而占有一定的空间,使得基体烧结成具有网络多孔状结构。工艺过程：备料、粉粹、混合、成型、干燥、烧结。优点：制备工艺简单；能按比例配备无机盐与基体材料；适合高熔点无机盐。缺点：熔融盐流失和蒸发严重；机械强度低，特别是大尺寸制品。该工艺适用于半工业化生产。

3.2 熔融浸渗法

该工艺先按要求制备出有连通网络结构的多孔基体材料，再将无机盐熔化渗入基体中，也称二级制造法。工艺过程：备料、多孔基体材料的制备、熔融无机盐浸渍。优点：能避免熔融无机盐在高温烧结时的流失和蒸发；制品保形性好，尺寸可精控；有较好的综合力学性能。缺点：工艺较复杂，成本高；无机盐含量有限。

4、无机相变储能材料的应用

4.1 无机相变储能材料在建筑材料中的应用

无机相变储能材料应用到建筑材料中，兼备普通建材和相变材料两者的优点，能够吸收和释放适量的热能；能够和其他传统建筑材料同时使用；不需要特殊的知识和技能来安装使用蓄热建筑材料；能够用标准生产设备生产；在经济效益上具有竞争性。20世纪90年代以无机相变储能材料（PCM）处理建筑材料(如石膏板、墙板与混凝土构件等)的技术发展起来了。随后，PCM在混凝土试块、石膏墙板等建筑材料中的研究和应用一直方兴未艾。欧美有多家公司利用PCM生产销售室外通讯接线设备和电力变压设备的专用小屋，可在冬夏天均保持在适宜的工作温度。此外，含有PCM的沥青地面或水泥路面，可以防止道路、桥梁、飞机跑道等在冬季深夜结冰。随着人们对建筑节能的日益重视，环境保护意识的逐步增强，相变储能建筑材料必将在今后的建材领域大有用武之地，也会逐渐被人们所认知，具有非常广阔的应用前景。

4.2 无机相变储能材料在通信方面的应用

随着人们环境意识的增强，越来越强调节能减排，无机相变储能材料具有无毒、无污染、零能耗、阻燃、可再生、使用寿年长等优点，正符合时代的要求。其中一个典型的例子就是北京中瑞森公司应用了无机相变储能材料的智能恒温蓄电池柜已通过工信部电源检测中心和工信部材料测试中心查测，各项指标全部达标。国内三大电信运营商已将该产品投入实际应用，并在实际使用中验证了该产品在高温、断电环境下，保温性能高达14小时的产品特性，极大程度地解决了目前困扰电信运营商的电池使用寿命过短，通信站点能耗过高的问题。从而大幅降低蓄电池采购费用及通信站点的能耗、进一步提高站点安全可靠性。为运营商降低OPEX，提高核心竞争力和盈利能力，提供了一个有效选择。

4.3 无机相变储能材料在工业余热中的应用

无机相变储能材料由于使用温度很高，最高可达到1400℃，正符合工业余热。它可用于替代传统蓄热器和热风炉的耐火砖，使其蓄热量比耐火砖大2～2.5倍，并且大大地降低了造价。如用于热风炉，将使其体积减少35%，造价降低11%。

无机相变储能材料不仅在以上方面的应用，在其他方面也具有广阔的应用前景，如军事装备、民用产品、光能利用等领域。目前国内已有很多企业在研究无机相变储能材料的技术，并已得到应用，例如冷藏车保温仓、太阳能路灯、风能发电机组，建筑保温，农业温室大棚等。

5、无机相变储能材料的发展方向

从无机相变材料的研究状况和特点来看，它具有很大的优越性，是今后储能材料发展的主要方向。近年来，美、日、德等国也发表了许多相关的理论研究，大体的来说研究的方向主要有如下的一些方面：一、研制出一系列相变温度范围的固-固相变材料；二、如何改善相变材料的导热性能和相变速率；三、如何根据相变机理提高其相变焓，研制出高能量密度的相变材料；四、掌握相变材料之间的复合原则以及如何来提高材料的性能以弥补不足；五、开发出除具有相变储能功能外还具有其它功能的多功能相变材料，如导电相变材料、可微波加热的相变材料、防水相变材料、可杀菌防虫蛀的相变材料、形状记忆相变材料等等；六、降低成本，实现工业化。

不论开发出何种相变材料，都必须具备如下的一般要求：一、合适的相变温度，因为相变温度正是所需要控制的特定温度；二、较大的相变潜热；三、相变的可逆性要好，过冷度应尽量小；四、性能稳定，可反复使用而不发生熔析和副反应；五、导热性好，相变速度快；六、材料的体积能量密度大；七、体积膨胀率要小；八、蒸气压要低，使之不易挥发损失；九、符合绿色化学要求：无毒、无腐蚀、无污染；十、使用安全，不易燃、易爆或氧化变质；十一、成本低廉，制备方便。

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