纳米增强相变材料在热储能应用中的全视角机制研究：提升导热性与稳定性的创新策略

本研究系统探讨了纳米增强相变材料(NEPCMs)在热储能系统中的关键作用，通过嵌入纳米颗粒(如石墨烯、Cu、TiO2 )显著提升相变材料(PCMs)的导热性(从~0.2增至>1.8 W/m·K)，抑制过冷现象(改善达50%)，并优化熔融/凝固温度偏移(±2-5°C)。研究揭示了纳米颗粒尺寸(10-100 nm)、浓度(0.1-10 wt%)和表面功能化对100-1000次热循环稳定性的影响，为太阳能存储、建筑温控及电子器件散热等应用提供了技术支撑。

　　

随着全球能源需求激增，开发高效清洁的储能技术成为迫切需求。相变材料(PCMs)因其高能量密度和等温储热特性被视为理想选择，但传统PCMs存在导热性差(~0.2 W/m·K)、过冷严重(达50%)和循环稳定性不足等瓶颈。这些问题严重制约了其在太阳能电站、智能电网和电子热管理等领域的应用。为突破这些限制，研究人员开展了纳米增强相变材料(NEPCMs)的系统研究，相关成果发表在《Results in Surfaces and Interfaces》上。

研究团队采用溶胶-凝胶法、原位聚合和界面聚合等关键技术，制备了以SiO₂
、聚脲为壳层的纳米胶囊化PCMs，并通过分子动力学模拟分析了纳米颗粒(Al₂
O₃
/CuO)在PCM基体中的扩散行为。实验选用5种无机PCMs(SP24/26/29用于夏季，SP07/11用于冬季)，结合铜泡沫和碳纳米管(CNTs)构建复合体系。

纳米封装增强PCM活性
通过Al₂
O₃
/水纳米流体PCM实验证实，纳米颗粒使凝固时间缩短30%，自扩散效率随Al纳米颗粒直径减小而提升。碳纳米材料(xGnP/CNT)的添加使生物基PCM导热性最高提升336%。

相变材料分类与特性
系统比较了有机(石蜡、脂肪酸)、无机(盐 hydrate)和共晶PCMs的性能：金属共晶展现最高体积储热密度(300-800 kJ/m³
)，而盐 hydrate具有最佳导热性(0.6-1.2 W/m·K)。纳米石蜡烃通过调控TiO₂
负载量(0.7%最优)，使固-固相变潜热达20.1 J/g。

应用场景突破
在太阳能集热系统中，MgCl₂
-KCl-NaCl三元熔盐(380°C熔点)展现198.45 kJ/kg熔融热；锂离子电池采用铜泡沫/PCM复合散热，核心温度降低36-58%；建筑领域SA-LA/TiO₂
复合材料使墙体热阻降低13%。

创新封装技术
界面聚合制备的Fe₃
O₄
/聚脲核壳结构使封装效率达75%，经2000次循环仍稳定；溶胶-凝胶法生成的SiO₂
壳层使微胶囊PCMs导热系数提升101%。

结论与展望
该研究确立了纳米增强策略对PCM性能的全面提升：5 wt% CuO使SP07熔化时间缩短34%，石墨烯使palmitic酸导热性提升165%。未来需重点解决纳米颗粒团聚(采用超声分散优化)和成本问题(开发生物基PCMs)，推动NEPCMs在智能电网和零碳建筑中的规模化应用。多尺度模拟与AI材料设计将成为下一代高性能PCM开发的关键工具。