他们用压力做“开关”，让热能随存随取
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有一种“矛盾”的能量，叫热能。
一方面，它与我们的日常生活有着密切的关系，如饭菜需要加热烹煮、冬天需要供热保暖、夏天需要空调降温、冰箱需要制冷等，一日三餐、衣食住行、工业生产，都离不开热能。
燃烧篝火取暖（图片来源：veer）
另一方面，它使用起来并不那么方便。由于热力学定律的限制，热量总要从高温物体向低温物体传导。一杯热水放在室温下，不一会儿就会变凉，水里的热能逸散到了空气中，这部分能量相当于是被浪费掉了。在工业生产中，这种现象更加严重和普遍。有时候产生的废热太多需要降温，另一些时候温度不够又需要消耗电能等其他能量来补充，造成很大的浪费。
如果我们能直接对热能进行管理，将多余的热量储存起来，等到需要的时候再拿出来用，能量的浪费会不会减小很多呢？巧了，科学家也这么想。
中国科学院金属研究所的李昺研究员团队与北京高压科学研究中心李阔研究员、上海交通大学林尚超教授等合作，发现了一种材料，在此基础上设计的“热电池“可以长时间储热，总能效为92%。今天这项成果在《科学进展》（Science Advances）杂志公开发表（点文末“阅读全文”直达论文）。
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什么是储热？
当我们谈论储热技术时，我们指的是将多余的热能存储在特殊的介质中，以便在需要时重新释放出来的过程。这项技术在许多领域都发挥着重要作用。它的原理是利用材料的热容量将热量储存在该材料中，以便于后续实现能量的存储和调节。
我们往往希望储存的热量来源是在生产生活中“多余”或“废弃”的部分，也就是将我们所说的“废热”进行利用。例如钢铁生产中的大量高温热气、热水利用储热技术应用将热量存储用于供暖或再生产，热力发电将系统废热转化为蒸汽或热水进行再发电等等。
储热技术的应用领域（图片来源：veer图库）
储热再利用，科学家“操碎了心”
在能量的转换或是传输过程中，那些未被充分利用而释放到环境中的热量被称为“废热”，例如冶金、石油、制造业、食品、制药等各领域中均有存在。
常见的储热方式包括：热质储热、相变储热、化学储热等等。随着新能源技术的发展，相变储热由于其体积小、储热密度高、对热能的储存及利用率高、环境友好等优势得到了推广及应用。
相变储热材料（Phase Change Materials，缩写为PCM）指一类能够通过物质的相变过程来储存能量的材料。通俗点来说，相变即为物质的物相（固、液、气等）发生变化的过程，以水的三态为例：水蒸气→气相，水→液相，冰→固相。就像冰融化和水沸腾，在相变的过程中往往需要环境为其供给或移除大量的热量，这一特点是相变材料能被用作储热材料的关键。相变储热材料是一种可以吸收和释放大量热量的材料，在吸收热量的过程中将热能储存在材料内，在需要使用时对外释放热量。（点击这里复习一下）
水的“相变”（图片来源：Veer图库）
虽然物质只有一种气相，但可不只有一种固相或液相。举个例子（栗子）：对于碳来说，金刚石和石墨都是它的固相，但其物理化学性质完全不同，是两种不同的固相，石墨变成金刚石的过程就是一种固-固相变。在我们刚刚提到的相变储热材料中，最理想的材料之一就是固-固相变储热材料。它的结构更为紧凑，化学稳定性也更好，寿命更长，经历多次循环也能完成“储热任务”，可应用的场景及温度也更广泛。然而，现有的这类材料在实际储热应用的过程中还存在诸多问题。
首先，利用现有固-固相变储热材料储存在相变中的热量释放难以精准控制，热量的存储和释放通常受环境温度影响较大，在使用过程中比较“被动”。
其次，这类材料在完成热量的储存后，往往需要在短时间内利用或转移，很难实现长时间的稳定储存。
既然现有的固-固相变材料存在不少问题，那是否有什么新材料可以解决这些弊端呢？如果我们能像电池储存电力那样，将工业生产中产生的热量装进“热电池”中存起来，到需要用时再释放出来，岂不是又方便又环保？这次科学家们的成果，就是在实现这件事。
他们用压力做“开关”，让热能随存随取
近期，中国科学院金属研究所的李昺研究员团队与北京高压科学研究中心李阔研究员、上海交通大学林尚超教授等合作，发现了首个反常庞压卡材料体系——NH4SCN，让热能像电能一样随存随取成为可能。
压卡效应是指材料在压力的驱动下相变而产生的吸热或放热现象的热效应，而庞压卡效应是指：压卡效应的指标（最大等温熵变）较传统材料提高了一个数量级。相比于正常压卡效应，加压放热、卸压吸热，反常压卡效应表现出罕见的加压吸热、卸压放热现象。
利用反常压卡材料不仅可以实现固态制冷，同时也可构建压力可控储热技术。这一发现对于将庞压卡材料的应用场景成功地拓展至储热领域，具有重要意义。
NH4SCN在压力驱动下的热流曲线以及绝热温变（图片来源：作者提供）
该新材料的不同之处在于利用压力作为调控手段，使热量可以打破原有受到时间及空间限制的“壁垒”，通过控制压力的加载和释放，来调控热量存储及释放。材料储热及释放热量的速度也可通过加载及释放的速率进行控制，从而实现了热能的可控性（就像添加了一个方便的“开关”）。压力作为调控手段，比起温度等其他调控方式更不易受环境等因素的影响，储热的稳定性更高，可实现长时间储存的需求，方便随存随取，基本达到了“热电池”的效果。
利用压力作为调控手段使热量具有时间和空间转移性（图片来源：作者提供）
室温下的NH4SCN的形貌及及压力下的晶体结构示意图（图片来源：作者提供）
在这些地方，“热电池”能变废为宝
当前的能源利用格局存在一个尖锐的“热能悖论”，热能生产占全球最终能源消耗的50%以上，且贡献了全球约30%的碳排放量；同时，全球72%的初级能源在转化后又主要以热的形式耗散。有了这些性能优良的储热材料，废热利用的想象空间就比过去大得多了。
过去的建筑或工厂，即使应用了废热转化技术，也局限于热量的即时转化和使用；有了这种新型的“热电池”，废热就有可能在时间和空间上被更加随心所欲的使用。未来，对于热电厂、数据中心这样需要大量散热的场所来说，不需要的废热或许就能“变废为宝”。
压卡热电池的应用设想（图片来源：作者提供）
这种新型的“热电池”能够把热量在低峰时段存储起来，稳定保存，这样就可以在高峰时段释放出来供应热能，同时弥补了可再生能源具有波动性和间歇性的不足，降低了能源系统运行的不确定性。
届时，我们也将离“碳达峰”与“碳中和”的目标更近一步了！
作者：宋睿琪
作者单位：中国科学院金属研究所
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