浙大破解储热难题：一层200纳米的涂层，让热能存储速度飙升10倍

提到储能设备，人们首先想到的往往是锂电池。然而在能源世界里，还存在另一类同样重要却鲜为人知的“电池”——热池。与锂电池存储电能不同，热池专门用于存储和释放热能。

从家中的保温杯到楼顶的热水罐，从太阳能光热电站的熔盐储罐到工业余热回收系统，这些看似普通的装置，本质上都是一种用于储热的“热池”，只是人们习惯性地关注其功能而非储能属性。根据国际能源署数据，全球终端能源消费中有近 50% 最终以热能形式被直接利用掉，这使得热能存储在能源体系中占据着不可替代的地位。

目前主流的储热方式包括显热储热、基于潜热的相变储热、热化学储热等。其中，相变储热的原理是利用材料在固液相变过程中吸收或释放大量潜热来实现热能的存储与利用。

然而，相变材料长期面临一个核心矛盾：高储热密度和快速充放热能力难以兼得，限制了其充放热功率。

针对这个长期矛盾，浙江大学范利武教授团队近日在 Nature 发表研究成果，提出了一种基于“滑移强化接触熔化机制”的创新方案。通过给储热容器内壁涂上了一层 200 纳米厚的超薄涂层，并结合预热层同时实现了表面滑移以及脉冲加热，团队首次将相变热池的功率密度推至超过 1 兆瓦每立方米，相比传统储热装置提升十倍以上。

（来源：Nature）

对于相变材料的核心矛盾，论文通讯作者范利武教授用通俗的比喻解释：“这就像选打篮球的苗子，个子高的人弹跳力却不一定好，在相变材料世界里，高储热和高导热也很难同时具备。”

在 0 到 200 ℃这个与日常生活、建筑、工业余热回收密切相关的温区内，那些能储存大量热量的有机材料，如石蜡、糖醇等，导热性能普遍很差，导致充热慢、放热也慢。这种矛盾本质上是材料属性的限制。

过去几十年，研究者主要沿着两个方向试图破解。一是通过添加高导热填料来提升材料表观的导热性能，但这会导致储热容量被牺牲、流动性严重下降、系统可循环性受损。

二是利用接触熔化机制，通过外力强制让相变材料紧贴加热面，虽然能在单次实验中加快熔化速度，但需要运动部件或额外能耗，难以实现长期循环及规模化封装。

浙大团队的突破源于一个关键洞察：要想提升加热效率，不能只盯着加热面，非加热侧的壁面也是破题关键。如果相变材料牢牢粘附在冷壁上，就无法靠重力滑落回加热区，导致传热温度梯度越来越小，传热效率衰减。

图 | 团队相变热池设计（来源：论文）

第一作者李梓瑞博士回忆道，研究过程经历了多轮迭代。

最初他们尝试将整个储热单元置于外部加热环境中，但发现能耗高且预热耗时长。后来，北方冬天电车除冰的场景给了他启发：汽车后挡风玻璃会内置加热线，采用局部电加热方式，直接使整块冰面脱附，而不是把整辆车放进暖房。于是团队转向开发集成在容器内壁的加热层，通过短时、低功耗的脉冲加热触发材料脱离，大幅提升了响应速度和能效。

在第二阶段，团队聚焦于界面滑移问题。他们最初的想法是在加热面做涂层，但实验发现这会引入额外热阻，就像在铁锅上盖了一层塑料膜，虽然防粘，却严重阻碍传热。

李梓瑞博士告诉 DeepTech，得益于课题组的交叉背景，他们团队借鉴了气液相变研究中的界面修饰思路，决定把表面改性从加热面转移到侧壁。侧壁本身不参与主要传热，但若能让材料在此处更易滑落，就能间接促进其向加热面的运动，形成“紧密接触”状态。

2022 年，在与宁波大学叶羽敏教授团队合作后，他们接触到一种类液超滑涂层。这种复合涂层采用等离子体增强化学气相沉积技术制备，厚度约 200 纳米，表面粗糙度仅 0.67 纳米，展现了优异的液体表面滑移性能。

团队随即将这种涂层应用在热池内壁，结合预热层，最终形成了短时触发加超滑界面引导的协同机制。

在实际应用中，脉冲预热仅需占总储热容量的 0.4%，就能在容器内壁与相变材料之间形成约 40 微米的液膜，使材料脱离冷壁并在重力作用下滑向加热面。超滑涂层则进一步降低滑动阻力，确保材料能够持续紧密接触加热表面，如此短的传热路径极大提升了温度梯度，从而显著增强热流密度。

图 | 团队利用边界滑移强化接触熔化过程（来源：论文）

实验结果令人振奋：团队在高度约 20 cm 的原型机中实现了 1.1 MW／m³（兆瓦每立方米）的功率密度，这在相变储热领域可以说前所未有。更重要的是，新方法实现的高功率并非瞬时峰值，而是可在储存 27 kWh/m3 能量密度同时稳定维持的平均功率。团队在实际热池中进行了 50 次完整充放热循环测试，功率密度始终保持在峰值的 97% 以上，衰减不到 3%，展现了优异的循环稳定性。

在耐久性方面，团队使用熔点达到 118 ℃的赤藓糖醇作为相变材料，相变储热装置在 150 ℃下完成 50 次充放热循环后，快充性能保持稳定。针对涂层的加速老化测试显示，在 250 ℃环境下持续加热 10 天，表面滑移性能仅有轻微衰减，并且涂层的热分解温度高达 360 ℃，完全满足中低温储热场景的长期运行需求。

范利武教授最后还提及了相变储热长期以来面临的规模瓶颈：虽然储热密度高，但一旦放大体积，充放热速率就急剧下降。一个大型储热罐可能需要数小时甚至 1 天才能充满，用户无法接受。相比之下，显热储热虽然能量密度低，但结构简单、成本极低，因此在工业中更常见。团队的技术突破点在于，在保持高储热密度的同时实现高功率密度，即使做成大型储热系统也能在几分钟到十几分钟内完成充热过程，有望真正满足工业节奏。

目前这项技术存在着广泛的潜在应用场景，包括冶金、纺织、化工等行业中 100 到 200 ℃的中低温余热回收，太阳能光热系统的昼夜储能，建筑能源系统的区域供热和空调蓄冷，以及电动交通的热管理等。目前团队已与一些企业展开初步探讨，推动中试规模验证。从实验室到工业应用，仍需解决长期可靠性、成本控制、系统集成等问题，但技术原理已打通。如果后续工程化顺利，3 到 5 年内有望在特定场景实现示范应用。

关于规模化挑战，范利武教授向 DeepTech 坦言，虽然从 20 cm 到米级仍有工程细节需要打磨，但团队整体的核心技术路径是清晰的，因此对于工程化前景有相当的信心。

未来，团队将重点关注几个方向。首先是相变材料本身的长期循环寿命性，很多高潜热材料如糖醇在多次循环后会发生热分解，性能迅速退化。团队已通过材料改性将糖醇的循环寿命提升到 1,000 次以上，高温运行时间超过 10,000 小时。

其次是不同温区的适配性，高温领域的熔盐或金属材料对涂层耐温性、容器热应力等提出新的挑战。第三是与真实应用场景深度耦合，比如寒冷地区的太阳能跨季节储热等极端环境下的应用，才能真正检验技术的边界。

1.https://www.nature.com/articles/s41586-025-09877-0

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