锚定相变界面技术提升了太阳能热能存储的效果

《Science Bulletin》：Anchoring phase change interface enhances solar thermal energy storage

相变界面锚定技术通过动态循环光热复合相变颗粒（CPCPs）实现高效太阳能热存储。CPCPs采用MnFe?O?光热壳（91.1%太阳能吸收率）和MgO/h-BN/NaCl-KCl核（热导率6.84 W/m·K），构建近表面光捕获与高效热传导的协同结构，使太阳能热存储效率达49.7%，较传统扩散限制法提升26倍。

　　

乔旭|朱静文|王艳|刘向雷|王涛|王国国|吕树山|李永亮

南京航空航天大学能源与动力工程学院，南京210016，中国

摘要

基于相变材料（PCMs）的太阳能热能存储提供了一种紧凑、接近等温的途径，以实现热能供应的脱碳。然而，固液界面从受照表面逐渐后退的现象会导致热阻逐渐增加，充电速率随时间下降。为了解决这一挑战，我们证明了固定相变界面可以实现快速、高效且连续的太阳能热能充电。这是通过动态循环光热核壳复合相变颗粒（CPCPs）来实现的，这些颗粒可以不断更新受照表面。这种可扩展的CPCPs是通过挤压球化工艺制备的，由MnFe₂O₄光热壳和MgO/h-BN/NaCl-KCl核心组成，在单个颗粒内集成了宽带光子吸收和高热导率。MnFe₂O₄壳的太阳加权吸收率为91.1%，这得益于近表面光子限制和内部多次散射。在核心内部，渗透的MgO骨架与平面h-BN声子传输路径形成了一个分层陶瓷网络。这种结构中的界面声子谱重叠减少了Kapitza电阻，使有效热导率提高到6.84?W?m^?1?K^?1，同时保持了844.7?kJ?kg^?1的高能量存储密度。通过匹配入射太阳通量和颗粒流质量流量，该系统在1.08?kW的太阳输入下实现了0.54?kW的充电功率，太阳能热能存储效率达到了49.7%，比传统的扩散限制方法（1.9%）提高了26倍。这项工作引入了一种从传统的“材料静止、界面后退”模式向“材料移动、界面固定”模式的范式转变，从而实现了快速、高效且连续的太阳能热能存储。

引言

实现碳中和的全球迫切需求加剧了从化石燃料向可再生能源转型的关注。在这个框架下，高效利用太阳能是实现能源供应脱碳和缓解气候变化的关键途径[1]、[2]、[3]、[4]。特别是太阳能热转换技术因其能够捕获全谱阳光[5]、具有成本效益的可扩展性[6]以及能够脱碳热能部门[7]（这些部门约占全球最终能源消耗的50%[8]）而成为一种有前景的技术。然而，太阳能资源的日变化和间歇性限制了其连续、可调度输出。基于相变材料（PCMs）的热能存储（TES）[9]、[10]、[11]通过在充放电循环期间提供高潜热密度和接近等温的操作[12]、[13]、[14]、[15]、[16]，缓解了这一限制。因此，将太阳能热转换与基于PCMs的TES相结合，为实现可调度的太阳能热能[17]、[18]、[19]、[20]、[21]提供了一条有希望的途径。

在大多数当前的基于PCMs的太阳能热存储配置中，太阳能热充电受到来自静止照射边界（图1a）[22]、[23]、[24]的缓慢、扩散限制的热传递控制。太阳能首先被黑色接收涂层吸收，然后传导到PCMs中。随着熔化过程的进行，在受照表面会形成一层低热导率的液体层（通常<1?W?m^?1?K^?1），并且逐渐变厚[25]、[26]、[27]、[28]。随着固液界面从受照表面后退，传导路径变长，太阳能充电速率和整个系统效率随时间下降。这种有限的热传递导致热量在受照表面附近积聚，引起表面过热、辐射损失增加以及系统可靠性降低[29]、[30]。为了解决这一限制，已将导热填料（如石墨烯纳米片[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、碳纳米管[36]、[37]、[38]、[39]以及三维（3D）金属或碳泡沫[40]、[41]、[42]、[43]、[44]）加入PCMs中，以形成渗透的热网络并提高热导率。尽管这些复合材料加速了热充电，但同时也降低了整体能量存储密度；此外，传统的“材料静止、界面后退”模式仍未改变，导致太阳能充电速率不可避免地随时间衰减[17]。

因此，人们探索了直接光学充电作为一种替代方法，其中入射光子被分散在PCMs中的光热颗粒或嵌入其中的结构化吸收体吸收[45]、[46]、[47]、[48]。在集中太阳辐射下，等离子体和磁性纳米颗粒吸收体可以显著加速光学薄或半透明PCMs中的充电过程[49]、[50]、[51]。例如，在含有Fe₃O₄的PCMs中，充电速率提高了270%以上。为了减轻纳米颗粒聚集，使用了磁驱动的网状吸收体来跟踪沿熔化前沿前进的光热转换区域[52]。尽管取得了这些进展，但在熔融PCMs中入射光会迅速衰减。当PCMs的厚度超过光穿透深度时，吸收仅限于近表面区域，从而减缓了熔化速率并在后期降低了充电效率。此外，一旦PCMs完全熔化，光热充电就无法继续进行，从而阻碍了持续、连续的操作。因此，实现快速、高效且连续的太阳能热充电仍然是一个关键挑战。

在这里，我们证明了在太阳能热充电过程中主动固定相变界面可以显著提高太阳能热能存储性能。这是通过不断循环光热核壳复合相变颗粒（CPCPs）来实现的，这些颗粒可以不断更新受照表面，从而抑制低导热率液体层的生长。CPCPs结合了MnFe₂O₄光热壳（通过近表面光限制和内部多次散射实现高太阳吸收率）和MgO/h-BN/NaCl–KCl核心（其中渗透的MgO骨架和平面h-BN声子路径减少了界面热阻并加速了颗粒内部的热传输）。结果，CPCPs表现出6.84?W?m^?1?K^?1的热导率和844.7?kJ?kg^?1的能量存储容量。在集中太阳辐射下，界面固定的系统实现了49.7%的太阳到热存储效率，大约是相同条件下扩散限制基准的26倍。这项工作实现了从“材料静止、界面后退”模式向“材料移动、界面固定”模式的范式转变，从而实现了快速、高效且连续的太阳能热能存储。

材料

使用纯度为99.5%的NaCl（Aladdin，上海，中国）和99.8%的KCl（Macklin，上海，中国）制备共晶盐相。作为陶瓷填料，使用了纯度为98.0%的MgO（Aladdin）和5–10?μm大小的h-BN片层（Macklin）。商业MnFe₂O₄粉末（浙江华源，浙江，中国）作为壳前体。聚（乙烯醇）（PVA，87%–89%水解；Aladdin）被用作粘合剂。

核壳CPCPs的合成

将NaCl和KCl按1:1.02的摩尔比混合，并在行星球磨机中均匀化

CPCPs的表征

在传统的扩散限制系统中，来自固定受照表面的缓慢热传导控制着充电过程。随着熔化前沿从受照表面后退，不断增长的停滞液体层增加了传导路径长度和热阻，逐渐减缓了太阳能充电（图1a）。在这里，我们证明了在受照表面主动固定相变界面可以将扩散限制的静态熔化转变为循环驱动的

结论

在这项工作中，我们证明了在集中太阳辐射下固定相变界面可以实现快速、高效且连续的太阳能热充电。这是通过动态循环光热核壳CPCPs来实现的，这些颗粒不断更新受照表面。CPCPs结合了宽带MnFe₂O₄吸收壳和含有渗透MgO框架及层状h-BN的NaCl-KCl核心，实现了91.1%的太阳吸收率和6.84?W?m^?1?K^?1的热导率

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

致谢

这项工作得到了中国国家重点研发计划（2023YFE0105300）、国家自然科学基金（U24A20143和52488201）、青年教师科研创新能力支持项目（ZYGXQNJSKYCXNLZCXM-E6）、江苏省自然科学基金（BE2023094、BK20220077、BK20232022、BE2022024和BT2024009）以及江苏省航空航天动力系统重点实验室（CEPE2025001）的支持。

作者贡献

乔旭设计了