华南理工大学张立志/董传帅团队 CEJ|微电压实现过冷态复合相变材料可控触发结晶

研究背景

相变储能具有高储能密度、熔点广、化学性质稳定等优点，在建筑节能、航空航天、可再生能源利用、电池等功率设备热管理等领域具有广阔的应用前景。相比于传统有机相变材料，无机相变材料以其相变潜热高、导热性能良好、化学性质稳定、价格低廉等优势吸引了广泛的关注。然而，无机相变材料固有的过冷属性导致其无法在理论相变温度结晶放热，放热温度不可控，严重时甚至会导致部分应用场景如动力电池热管理系统、航空航天热控系统失效，严重威胁系统安全。

针对这一问题，华南理工大学室内环境技术团队张立志/董传帅课题组，充分利用相变材料固有的过冷属性，从电极表面微纳形貌结构着手，采用微小电场诱导过冷态相变材料的可控成核、结晶和有序释能，实现相变温度的按需调控。相关成果以“Electrically-triggered nucleation of supercooled sodium acetate trihydrate phase change composites”为题发表在国际化工领域顶级期刊《Chemical Engineering Journal》（中科院一区TOP，JCR一区，IF= 16.744）上。

研究内容

图1：电控触发结晶装置的实验装置图

点触发电极（PTE）和面触发电极（STE）的制备与表征

采用融化凝固法制备具有不同粗糙结构的可控触发电极，通过轴向和径向的打磨的方式制备具有梯度粗糙结构的点触发电极（PTE）以及具有均一粗糙结构的面触发电极（STE）（图2（1））。在相同条件下，在施加电压后，两种电极表现出不同的触发结晶方式（图2（2）、（3）、（4））。在PTE电极和STE电极上，SAT晶体将分别从电极的某一局部区域以及电极的全表面开始生长。40次电控触发结晶循环实验表明（图3），气-液-固三相界面附近的界面双电层以及氧气和电解质浓度的剧烈变化，电极氧化速率明显提升。

图2：PTE电极和STE电极的制备流程示意图以及制备过程中电极表面粗糙度的变化

图3：40次电控触发结晶循环前后的实物图及表面粗糙度的变化情况

电压和过冷度对电控触发结晶过程的影响

不同电压的循环实验结果表明，电控触发相变的最佳直流电压使用范围为0.5-1.0 V，过低的电压无法触发相变，而过高的电压会显著降低可控触发电极的使用寿命（图4（1）、（2）、（3））。在电压相同时，随着过冷度的降低，枝晶形状从针状逐渐变为絮状（图4（4）），感应时间（施加电压到触发相变所需时间）迅速减小（图4（5））。此外，论文还提出了溶解度梯度结晶模型（图4（6）），并将电控触发结晶过程分为三个阶段：电控触发结晶阶段、针状晶体生长阶段以及异质成核阶段。

图4：不同电压的电控触发结晶循环实验及不同过冷度对晶体形成及生长的影响

SAT/CMC/EG复合相变材料的制备及其电控触发结晶性能

采用熔融共混法制得SAT/CMC/EG复合相变材料（图5（1）），并在1.5V和38℃（过冷度为20℃）下进行电控触发结晶实验。结果表明，SAT/CMC/EG复合相变材料具有较高的导热性能及储热性能（图5（2）），并实现稳定过冷。在保持稳定过冷的前提下，质量比为SAT:CMC:EG=100:1:8的复合相变材料具有最佳的导热性能（图5（3）、（4））。

图5：SAT/CMC/EG复合相变材料的制备及其电控触发结晶性能

作者简介

张立志，国家杰青，传热强化与过程节能教育部重点实验室主任。先后主持科技部“863”项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金杰青、重点项目等。一直专注于透湿膜及膜式热湿调控原理、太阳能驱动的膜式除湿制冷以及室内新风技术研究。以第一或通讯作者在本领域顶级期刊Water Research、Physics of Fluids、Chemical Engineering Science、、International Journal of Heat and Mass Transfer等发表SCI论文100余篇。

董传帅，华南理工大学副教授、博导，香港理工大学博士、博士后。2018年加入华南理工大学张立志教授团队，主要从事相变过程与传热传质方面的机理和实验研究。主持国家和省部级项目3项，省级人才项目1项，入选广州市科协“青托工程”。近五年来在Physics of Fluids、Chemical Engineering Journal、International Journal of Heat and Mass Transfer等领域内顶刊发表SCI论文40余篇。

邮箱：dongcs@scut.edu.cn

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.141131

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