中科院宁波材料所刘小青研究员团队 CEJ：高效充储能相变复合材料

2023-02-23 来源：高分子科技

基于相变材料（PCM）的储能技术具有储能密度大、可恒温蓄热、稳定安全等优势，可有效解决能源转换与储存过程中的间歇性、波动性和不均性问题。光热转换材料与PCM的复合可以实现对太阳能的便捷获取与转换，多尺度、多层次、高效光热通路的构建对提高光热转换PCM复合材料的充储效率至关重要。

中科院宁波材料所刘小青研究员一直致力于可持续热固性树脂的应用基础研究（Prog. Polym. Sci., 2021, 113, 101353; Green Chem., 2021, 23, 8643; Chem. Eng. J., 2022, 428,131226; Compos. B: Eng., 2020, 190, 107926）。为了解决热固性树脂不能降解、难以回收再利用的问题，通过激光烧蚀的方法将生物基热固性树脂转为功能性碳（Adv. Mater., 2022, 2209545; Small, 2022, 18, 2202906; Nano Energy, 2022, 100, 107477; ACS Nano, 2021, 15, 19490-19502），实现了对生物碳的高效利用，拟完成从“生物碳”到“高性能树脂”再到“功能碳”的闭环转化。

近日，该团队利用激光诱导石墨烯（LIG）技术在热固性树脂基体上构筑了“叶脉-叶肉”状三维石墨烯骨架，制备了具有高储能密度、多级传热路径和优异光热转化效率的复合相变材料（PLMC）。其中，叶脉状LIG（v-LIG）具有高光热转换效率和热导率，扮演“营养/水分传输”的角色；叶肉状LIG（m-LIG）具有高孔隙率，可容纳高比例的PCM；同时，底部未被烧蚀的树脂可以作为保温隔层并提供机械支撑。所得PLMC的潜热可达到162.3 J/g，且由于高光热v-LIG产生的“局部高温带动周围升温”及树脂层的“减少热耗散”的协同作用，PLMN在非集中太阳光下实现了84.1%的光热转化效率。

图1. 仿生多级结构相变复合材料的设计思路

图2. PLMC的热耐久性及多级结构的协同作用

此外，通过理论建模和计算推测，进一步验证了所设计多级结构在传热、光热方面的协同作用。其中，v-LIG与m-LIG部分的比例接近1比3时，PLMC能实现储能密度与能量传递速度之间的平衡。通过有限元模拟分析可得，v-LIG能在6秒内产生与m-LIG之间高达5-10 ℃的温差，并迅速带动整面材料在1分钟内达到近75 ℃的表面温度。相比之下，不含树脂层的PLMC材料在同条件下的表面温度仅为55 ℃，且拉伸强度仅为PLMC的30%。

图3. PLMC的光热除冰、防护式热管理、阻燃性能

得益于树脂层的“热防护”功效，PLMC可以在电子设备上实现被动制冷的同时，有效防止局部升温可能引起的烫伤。此外，树脂层的本征阻燃和氧气隔绝功效也赋予材料离火迅速自熄灭的功能，为阻燃安全型的热管理材料提供了新的设计思路。

相关成果以“Design of Phase Change Composite with Hierarchical Energy-Transfer Pathway via Laser-Induced Graphene for Efficient Energy Storage, Conversion, and Utilization” 为题发表在《Chemical Engineering Journal》上（DOI：10.1016/j.cej.2023.141882）。博士研究生祝欣蓓为论文第一作者，刘敬楷博士和刘小青研究员为共同通讯作者。项目得到了国家自然科学基金，浙江省自然科学基金，浙江省创新团队和宁波市自然科学基金的支持。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894723006137

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（责任编辑：xu）

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