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让热量有处可存！相变材料如何打造高性能“热电池”？

随着高功率电子设备、新能源汽车和可再生能源技术的快速发展，如何高效储存和管理热量，正成为能源领域的重要挑战。传统的风冷和液冷技术虽然能够及时带走热量，但通常需要持续消耗能源。相比之下，相变材料（PCMs）能够利用物质在熔化、凝固等相变过程中吸收或释放的潜热，在较窄的温度范围内储存大量热量，实现近乎恒温的热管理。然而，传统相变材料普遍存在导热性能不足、熔化后容易泄漏、循环稳定性有限等问题，尤其是储热能力与充放热速度之间的矛盾，制约了其实际应用。

今日，上海交通大学李廷贤研究员团队发表综述文章，从相变材料的基本热力学原理出发，围绕相变温度、能量密度和功率密度三大核心指标，系统梳理了分子设计、材料制备、模块构筑、器件优化及系统集成等不同尺度的研究进展，并进一步探讨了相变材料在电子散热、可再生能源储存、建筑节能及智能热管理等领域的应用前景，为下一代高性能热管理材料和器件的开发提供了系统性的设计思路。相关成果以“Phase-change materials for thermal management”为题发表在《Nature Reviews Materials》上，王思齐、陈晓和韩寒为共同第一作者。

相变材料：如何让热量“存得住”？

相变材料的工作原理，其实与日常生活中的冰块十分相似。当冰块吸收热量时，温度会逐渐升高；达到熔点后，即使继续吸热，温度也会在熔化过程中基本保持不变。这是因为输入的热量主要用于完成固态向液态的转变，而非直接提高温度。当液态水重新凝固时，储存的潜热又会释放出来（图1c）。相变材料正是利用这一特性，在吸热时抑制温度快速上升，在放热时提供相对稳定的热量输出。从热力学角度来看，相变材料可分为一级相变材料和二级相变材料（图1a）。其中，一级相变材料能够通过潜热交换实现较高的储热密度，包括固液、固固、固气及液气相变材料。按照化学组成，还可进一步划分为有机、无机和共晶相变材料（图1b）。不同材料各有特点，例如有机材料通常具有良好的循环稳定性，但导热性能有限；无机材料具有较高的储热能力，却可能存在过冷、相分离及腐蚀问题。因此，研究团队提出，应从分子、材料、模块、器件到系统五个尺度协同设计，将材料本身的储热优势转化为实际器件的热管理能力（图1d）。

图1：相变材料的热力学基础及多尺度设计框架

评价相变材料，关键看三个指标

那么，什么样的相变材料才能满足实际应用需求？研究团队指出，评价相变材料的热管理性能，需要重点关注三个指标：相变温度、能量密度和功率密度（图2a）。相变温度决定材料在什么温度下开始发挥储热作用。例如，建筑室内温控需要接近人体舒适温度的相变材料，而高温工业储热则需要具有更高相变温度的材料。能量密度决定单位质量或体积内能够储存多少热量，直接影响储热装置的体积和重量。功率密度则反映热量储存和释放的快慢，决定材料能否应对快速变化的热负荷。

研究团队进一步比较了不同类型相变材料的热物性（图2b、c）。石蜡具有较宽的相变温度范围和良好的循环稳定性，但导热系数通常仅为0.1～0.4 W·m⁻¹·K⁻¹；金属及合金具有较高的导热系数和体积储热密度，但成本等因素限制了其规模化应用。这也说明，单纯追求更高的储热量或更快的传热速度并不足够，只有让相变温度、储热容量和传热速率与具体应用相匹配，才能真正发挥材料的优势。

图2：相变材料的核心热物性指标及性能对比

从分子入手，让相变材料的储热性能可调

传统相变材料的相变温度通常较为固定，难以适应不断变化的工作环境。为此，研究人员尝试通过分子设计，让材料能够根据外部刺激调整相变行为。例如，将偶氮苯等光响应单元引入相变材料，在紫外光照射下，分子由反式结构转变为顺式结构，破坏原有的有序排列，从而降低相变温度；通过可见光照射或加热，又可以恢复原有结构，实现可逆调控（图3a）。除了调节相变温度，还可以通过引入离子相互作用、增强氢键或构建纳米限域结构，改变分子间作用力，提高相变潜热和储热密度（图3b）。在材料层面，通过加入成核剂，可以促进结晶并降低过冷程度，使材料在冷却过程中更及时地释放热量；通过调节不同组分的比例制备共晶相变材料，则能够获得适合特定工作温度的储热体系（图3c）。不过，增强分子间作用力也可能限制分子运动，影响相变速率。因此，提高储热能力的同时，还需要兼顾相变的可逆性和循环稳定性。

图3：分子与材料层面的相变温度和储热密度调控策略

打通传热通道，让热量跑得更快

对于相变材料而言，储热量大并不意味着充放热速度快。许多有机相变材料的导热能力较弱，热量难以快速传递到材料内部，即使具备较高的储热密度，也可能无法及时吸收或释放热量。为解决这一问题，研究人员一方面通过分子链取向、增强分子间相互作用等方式，减少热传递过程中的散射与阻碍（图4a）；另一方面，将碳纳米管、石墨烯、氮化硼等高导热填料引入相变材料，构建连续的热传导通道（图4b）。值得注意的是，填料并不是加得越多越好。随机分散的填料容易产生大量界面热阻，而过高的填料含量又会挤占相变材料的空间，降低整体储热密度（图4c）。因此，研究重点逐渐转向通过热压、剪切、挤出及模板诱导等方法，构建大尺寸、连续且高度取向的导热网络，让有限的填料发挥更大的传热作用（图4d）。

图4：相变材料导热性能的多尺度优化策略

储热材料如何实现不泄漏、长期稳定？

提高材料的储热和导热能力之后，还需要解决实际使用中的形状稳定性问题。对于常见的固液相变材料而言，一旦熔化，液体便可能发生泄漏，影响器件的使用寿命和安全性。研究团队总结了两类主要解决方案。第一类是物理封装，通过共混、真空浸渍、微胶囊化及挤出成型等方式，将相变材料限制在多孔骨架、保护壳层或特定结构中（图5a）。第二类是化学封装，通过交联、接枝或原位构筑核壳结构，将相变组分固定在稳定网络内部，提高材料的抗泄漏能力和循环稳定性（图5b）。然而，封装材料本身通常不参与相变储热，其加入会降低整体储热密度。对此，研究人员提出利用多重相变叠加，使材料在不同温度下经历多个储热过程（图5c），或者进一步耦合显热、潜热和化学反应热，提高整体储热容量（图5d）。这意味着，相变材料的设计需要从单一储热组分出发，逐步转向结构稳定、功能协同的复合储热模块。

图5：相变材料模块的稳定性提升与储热密度优化

从材料到器件，如何打造高性能“热电池”？

即使材料自身具备良好的导热性能，如果器件内部缺乏合理的传热结构，储热效率仍然会受到限制。为此，研究人员通过在换热器中引入金属泡沫、金属翅片及仿树枝状分形翅片，增加热量传递面积，并将热量输送至距离热源更远的相变材料区域（图6a）。相比传统金属结构，碳基翅片具有密度低、导热性能好和耐腐蚀等优势。通过将取向碳材料与相变材料有序组装，可以形成轻量化储热单元，并进一步集成为模块化热储存器件（图6b）。除了增加导热结构，另一种思路是直接改变材料的熔化方式。传统熔化过程中，固态材料与加热表面之间容易形成较厚的液体层，阻碍热量传递。而近接触熔化技术通过持续推动固态材料贴近加热表面，使界面保持较薄的液膜，从而加快热量吸收（图6c）。作者指出，已有滑移增强近接触熔化方案的充热体积功率密度可达1100 kW·m⁻³（图6d）。不过，这类方法主要改善充热过程，放热速度仍受材料导热性能限制。因此，下一代储热器件不仅需要兼顾储热密度与充放热速度，还必须综合考虑成本、安全性、循环稳定性及规模化制造能力（图6e）。

图6：相变储热器件的功率密度提升策略

从电子散热到建筑节能，相变材料还能做什么？

随着材料与器件技术的发展，相变材料的应用正在从单纯储热拓展到更广泛的能源管理场景（图7）。在能源领域，相变材料可以吸收工业生产过程中产生的余热，或者将太阳能、富余电能转化为热量储存起来，在需要时重新释放。在热管理领域，将相变材料集成到电子设备、电池和建筑墙体中，可以缓冲温度波动；将其制成智能纺织品或功能涂层，则有望实现更加灵活的个人温度管理。此外，相变过程中产生的体积和形状变化，还可以用于温度响应型软体驱动器、药物控释载体及形状记忆支架等领域。由此，相变材料不再只是被动储存热量的介质，也有望成为集热量储存、温度调节和功能响应于一体的智能材料平台。

图7：相变材料在不同应用场景中的系统集成

总结与展望

总体来看，相变材料未来的发展方向，并非单纯追求更高的储热密度或导热性能，而是根据具体应用需求，在相变温度、能量密度、功率密度及长期稳定性之间实现协同优化。研究团队指出，未来可通过生物基材料开发、人工智能辅助设计、多尺度传热结构优化及先进制造技术，进一步推动相变材料向绿色化、智能化和规模化方向发展。同时，将相变储热与太阳能收集、热泵及其他能源转换技术相结合，有望推动热管理系统从被动储热走向自主能源调节，为低碳能源利用及极端环境下的热管理提供新的解决方案。