上海交大ITEWA团队Adv. Mater.: 为相变储热材料导热强化提供新思路

近日， 上海交通大学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》上在线发表研究论文“High-Performance Thermally Conductive Phase Change Composites by Large-Size Oriented Graphite Sheets for Scalable Thermal Energy Harvesting”。本文的第一作者是博士研究生仵斯和国家优青获得者李廷贤副教授，通讯作者是李廷贤副教授、王如竹教授和邓涛教授。

【研究背景】

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，可广泛用于规模化热能储存及电子器件热管理。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）作为添加剂强化相变材料的热导率，这些二维碳材料通常具有超高的本征热导率（>1500 W/mK）。然而，当这些微纳米尺度的高导热添加剂与相变材料复合时，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。研究发现，影响复合相变材料热导率的主要因素包括: 二维碳材料添加剂的含量、本征热导率、几何与尺寸特性，以及添加剂与相变材料的界面热阻。

【文章简介】

有鉴于此，研究团队通过巧妙的材料设计，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。采用低成本、高产量的膨胀石墨作为添加剂，在导热强化方面，获得了可与高成本的石墨烯相媲美的效果。以常用有机材料石蜡和硬脂酸为相变材料，当膨胀石墨添加含量低于40 wt% 时，复合相变材料热导率可高达 35 W/mK，比文献中数据高出2~6倍。同时，复合相变材料中的三维石墨骨架可对液态的相变材料进行有效封装，实现定型的效果。在应用研究方面，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，利用取向的石墨片层作为高导热石墨翅片实现强化换热。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。此外，在动力电池热管理方面，该复合相变材料可对高倍率工作下的电池进行有效控温，延长工作时间。

图文导读：

图1. 复合相变材料合成及大尺寸阵列的石墨纳米片构建示意图。

图2. 复合相变材料形貌与结构表征。(a)插层石墨片，(b)蠕虫状膨胀石墨，(c)有相变材料涂层的膨胀石墨的微观形貌；(d-e)复合材料合成过程中，不同阶段材料的宏观形态；(f)复合相变材料定向整列结构断面; (g)去除相变材料后的三维石墨骨架；(h) XRD，(i)FTIR，(j)氮气等温吸附表征。

图3. 室温下纯膨胀石墨块体与复合相变材料的热传导特性。 (a)不同处理工艺的两种膨胀石墨块体的热导率随密度变化；(b)膨胀石墨压缩过程导热结构形成示意图；(c-d) 低密度和高密度下膨胀石墨块体的横截面微观形貌；(e)基于两种膨胀石墨制备的复合相变材料的热导率随膨胀石墨添加量的变化；(f)复合相变材料热导率平行模型示意图；(g) 复合相变材料热导率和热效能与文献中数据比较。

图4. 复合相变材料用于热管理及储热。(a)复合相变材料块体各向异向传热及充热过程红外图像；(b)复合材料块体上端温度变化曲线；(c) 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示意图；(d) 1 kWh复合相变储热模块照片及储热容量随循环次数变化趋势；(e) 复合相变材料用于电池控温时，包裹复合相变材料的电池和直接暴露在环境中的电池温度发展曲线及红外图像比较

【总结】

在本文中，作者提出了一种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。基于该思路，以膨胀石墨为导热强化添加剂，以常用的石蜡和硬脂酸为相变材料，开发了高导热复合相变材料。在膨胀石墨含量低于40 wt%时，复合相变材料的热导率可达35 W/mK，远高于现有研究水平。在此基础上作者将复合相变材料与换热/产热组件结合，通过巧妙的热设计实现复合相变材料高导热方向与传热方向的相互协调，利用取向的石墨片层作为高导热石墨翅片实现强化换热，获得了高功率密度的储热控温器件。该研究成果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。

上述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。

ITEWA团队简介：

上海交大王如竹教授领衔的ITEWA团队曾在Joule、Prog Energ & Comb Sci、iScience、Research上发表多篇论文，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。

Si Wu, Tingxian Li, Zhen Tong, Jingwei Chao, Tianyao Zhai, Jiaxing Xu, Ting Yan, Minqiang Wu, Zhenyuan Xu, Hua Bao, Tao Deng, and Ruzhu Wang, High‐Performance Thermally Conductive Phase Change Composites by Large‐Size Oriented Graphite Sheets for Scalable Thermal Energy Harvesting. Advanced Materials, 2019, 1905099. 

（https://doi.org/10.1002/adma.201905099）