北科大Acta Mater.：開發超高性能固-固相變熱管理/儲熱金屬材料！

kongxy 6個月前 (03-21) 983瀏覽

 

一、導讀

隨著化石能源短缺及環境污染問題日益嚴重，世界各國都在追求清潔高效能源的開發與使用。可持續、可再生能源與儲熱系統相結合，可實現新能源利用及提高能源利用效率。其中，基于相變材料(PCMs)的儲熱技術在調節新能源的供需不匹配、余熱回收、建筑節能及高功率微電子器件和動力電池的熱管理等領域具有巨大的應用前景。然而，常用的固-液相變儲熱材料在高溫下存在液相易泄漏、相變過程中體積變化大(10-15%)、形狀不穩定和嚴重腐蝕性等致命缺點，對儲熱系統的穩定性、安全性和使用壽命構成了極大的威脅。相比之下，固-固相變儲熱材料具有無泄漏、無需封裝、相變過程中體積變化小、形狀穩定和無毒無腐蝕等優點，因此，目前人們高度關注高性能固-固相變熱管理/儲熱材料的開發。

隨著先進能源系統和大功率電子器件的快速發展，許多工作溫度超過200°C的關鍵應用迫切需要高性能高溫相變材料，例如，太陽能塔式發電廠(290?565°C)、高品位余熱的回收(高于200°C)和新興微波半導體器件的熱管理(300?700°C)。然而，當前固-固相變材料的相變溫度通常較低(低于200°C)。因此，探索高溫固-固相變材料以在高溫下實現高效、穩定的熱管理/熱能存儲應用勢在必行且具有挑戰性。

二、成果掠影

近日，北京科技大學從道永（dycong@ustb.edu.cn）和王沿東教授團隊利用金屬可逆固-固馬氏體相變的大潛熱、高密度及高熱導率的策略開發出超高性能高溫Ni-Mn-Ti固-固相變儲熱材料。在高達~500°C的高溫下，獲得了9056 × 106 J2 K?1?s?1?m?4的巨大FOM，比具有最高FOM的商用相變材料高15倍，為目前報道固-固相變儲熱材料的最高值，這表明該材料具有超高儲能密度、高功率的特性。此外，開發的Ni-Mn-Ti固-固相變儲熱材料沒有泄漏問題，其相變發生在250–500°C之間。這些高的不同相變溫度賦予了Ni-Mn-Ti固-固相變儲熱材料在高溫梯級熱能存儲應用的能力。另外，這些Ni-Mn-Ti固-固相變儲熱材料表現出優異的熱循環穩定性。并與中國散裂中子源何倫華研究員團隊合作，揭示了該材料大潛熱和高熱循環穩定性的晶體學起源。相關的研究成果以“Ultrahigh-performance solid-solid phase change material for efficient, high-temperature thermal energy storage”為題發表在Acta Materialia上。

 

 

三、核心創新點

(1) 通過利用金屬可逆固-固馬氏體相變的大潛熱、高密度及高熱導率的策略開發出超高性能高溫Ni-Mn-Ti固-固相變熱管理/儲熱材料;

(2) 原位中子衍射實驗揭示了該材料在相變過程中大潛熱和高熱循環穩定性的晶體學起源。

四、數據概覽

圖1 (Ni49.5Mn50.5-xTix)99.8B0.2固-固相變儲熱材料的DSC曲線及相變參數：(a) DSC曲線；(b) 馬氏體(Ms和Mf)和逆馬氏體(As和Af)相變特征溫度與Ti含量x和價電子濃度e/a的關系；(c) 馬氏體(ΔHM)和逆馬氏體(ΔHA)相變焓變與Ti含量x的關系

圖2 (Ni49.5Mn50.5-xTix)99.8B0.2固-固相變儲熱材料的密度及比熱容：(a) 合金的密度與Ti含量x的關系曲線(實心球表示通過實驗獲得的數據，紅色虛線為線性擬合直線)；(b) 升溫過程中合金的比熱容隨溫度變化的關系曲線

 

圖3 升溫過程中合金的比熱容與熱導率隨溫度變化的關系曲線：(a) (Ni49.5Mn44.5Ti6)99.8B0.2；(b) (Ni49.5Mn43.5Ti7)99.8B0.2；(c) (Ni49.5Mn39.5Ti11)99.8B0.2

 

圖4 典型固-固相變儲熱材料(SS-PCMs)和固-液相變儲熱材料(SL-PCMs)的FOM和相變溫度的對比（這里非金屬類SS-PCMs*包括有機多元醇類SS-PCMs、有機金屬類SS-PCMs和聚合物類SS-PCMs；FOM?= k ×?ρ ×?L，這里k、ρ和L分別為熱導率、高溫相密度和相變潛熱）

圖5 (Ni49.5Mn39.5Ti11)99.8B0.2固-固相變儲熱材料的相變熱循環穩定性：(a) 合金在第1~70、120、170、220、270、370、420、1000次相變熱循環過程中的DSC曲線；(b) 相變特征溫度(Ms、Mf、As和Af)和相變焓變(ΔHM和ΔHA)隨循環次數的變化

圖6 (Ni49.5Mn39.5Ti11)99.8B0.2固-固相變儲熱材料原位加熱過程在不同環境溫度下的一維中子衍射譜：(a) 在330 °C下觀測的(黑點)和計算的(紅線)中子粉末衍射花樣；(b)?高溫奧氏體相的晶體結構示意圖；(c) 在220 °C下觀測的(黑點)和計算的(紅線)中子粉末衍射花樣；(d) 低溫馬氏體相的晶體結構示意圖

五、成果啟示

本研究開發的高性能(高FOM)高溫Ni-Mn-Ti固-固相變熱管理/儲熱材料具有高相變溫度、大相變潛熱、高密度、高熱導率、優異的熱循環穩定性、無泄漏等優點，非常適用于高溫儲熱及電子器件熱管理系統；另外該相變儲熱材料制備過程簡單且便于生產，具有很大的商業應用價值。這項工作為設計先進的高性能固態熱管理/儲熱材料開辟了新的途徑。

原文詳情：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118852

本文由作者（李勝偉）供稿

 

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