储能材料(加密)

储能材料

一、概念及种类

1.概念

储能材料是利用物质发生物理或者化学变化来储存能量的功能性材料，它所储存的能量可以是电能、机械能、化学能和热能，也可以是其他形式的能量。

2.种类

储能材料离不开储能技术，能源的形式多种多样，储电、储热、储氢、太阳能电池等所用到的材料广义上都属于储能材料。

a)按照储能方式分：

显热式（通过加热介质，使其温度升高而储存能量，又称“热容式储能”）：陶瓷蜂窝体、硅质/镁质耐火砖、耐火泥等热容较大的物质

相变式（利用储热介质被加热到相变温度时吸收大量相变潜热而储存能量，又称“潜热储能”）：固—固相变材料（多元醇、HDPE、层状钙钛矿等）、固—液相变材料（水合盐、无机盐、金属及合金、石蜡等）、固—气相变材料（干冰）、液—气相变材料（水蒸气）化学反应式（利用可逆化学反应，在受冷和受热式可发生两个方向的反应，分别对外吸热或放热，这样可实现能量储存）：无机盐—H2O、无机氢化物等

复合式（综合显热材料和相变材料的优点并克服它们的缺点的新材料，由相变材料和载体基质组成，在使用过程中同时利用显热和潜热）：纤维织物（石蜡）、有机/无机类（硬脂酸、高密度聚乙烯、石蜡/混凝土）、无机/无机类（无机盐/陶瓷基、水合盐/混凝土）

b)按照材料构成分类：

复合材料类储能材料、金属储能材料、有机储能材料、无机非金属储能材料

二、储能材料的应用前景

1.显热式储能材料

a)陶瓷蜂窝体在冶金中的应用

蓄热式燃烧技术是近几年在冶金工业窑炉普遍

推广的节能环保新技术，也是21世纪节能环保最具

发展潜力的技术之一。

蜂窝式蓄热体具有承受温度高、比表面积大而体

积精巧、流动阻力和热惯性小、耐热冲击性好等一系

列优点。

2.相变式储能材料

相变节能材料作为一种新兴的节能材料，

以其储能密度高、体积小巧、温度控制恒定、

节能效果显著、相变温度选择范围宽、易于控

制等优点成为材料界的新宠。右图为已经商用

的相变储能材料。

随着人们对相变材料的关注越来越多，PCM在日常生活、航空航天等领域的研究逐步开展起来，而近年来的研究热点主要集中在民用，比较典型的应用有以下几类。

a)太阳能热水系统上的利用

太阳能领域是目前PCM

应用的最主要领域之一，其

基本原理如下图所示。

太阳能集热器收集到的

热量通过工作介质（如水）

传输到箱体的PCM中，PCM

发生相变（固态到液态），将

多余的热量储存起来；当太

阳能不足时，PCM再次发生

相变（液态到固态），释放能

量。

b)相变储能建筑材料

建材轻质化是当今社会建材发展的重要趋势，但轻质建材带来的一个重大缺陷就是房屋保暖性变差、能耗增加，在

建材中添加PCM是解决这个问题的有

效途径之一。其结构如右图所示。

相变材料掺入到基材中制备的相

变储能建筑材料，应用于建筑墙体中，

可以减少环境温度引起的室内温度波

动，提高墙体的保温、隔热能力，减少

室内空调等用电设施的使用，从而可实

现环保节能的目的。

3.化学反应式储能材料

化学蓄热材料作为化学储能的核心技术之一，主要可以分为金属氢氧化物、金属氢化物、金属碳酸盐、结晶水合物、金属盐氨合物等。

O M=Ca、Mg

M(OH)2储蓄能量

释放能量MO+H2

MH2储蓄能量

M=Ca、Mg

释放能量M+H2

MCO3储蓄能量

M= Ca

释放能量MO+CO2

M·H2O储蓄能量

OM=金属盐类、氢氧化物

释放能量M+H2

MCl2·NH3储蓄能量

+NH3M=Ca、Ba、Mn

释放能量MCl2

4.复合式储能材料

由无机盐和陶瓷基构成

的显热潜热复合储能材料

(CompositeEnergyStorage

Ma—terials．CESM)。其陶瓷

体为多孔结构，无机盐分布

在陶瓷基体的微米级超微多

孔网络中，在受热并超过无

机盐的熔点时。无机盐熔化

而吸收潜热，且因毛细管张

力而不流出。由CESM构成

的储热系统。可同时利用熔盐的潜热和陶瓷与无机盐材料的显热来储存热能，因而既具有潜热储能密度大且能量输出稳定和显热储能元件可与换热流体直接接触换热的优点，又克服了潜热储存系统成本高和熔盐腐蚀的缺点。CESM可应用于太阳能的高温利用、余热回收和航天等领域。当它用于替代传统蓄热器的耐火砖时。其蓄热量提高2～2.5倍；如用于热风炉，体积可减少35%，造价降低11％。

三、复合相变储能材料——碳纳米管

1.碳纳米管的结构特征

碳纳米管是一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多优异的力学（高强度）、电学（导电好）、热力学（高导热率）和化学（性质稳定）性能。由于其具有较大的比表面积、中空结构以及多壁碳纳米管之间的类石墨层隙，使其在氢燃料电池方面有着重要的作用。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入，其广阔的应用前景也不断地展现出来。

2.碳纳米管的储能原理

碳纳米管与其他相变材料主要以物理方式复合，均匀地分散于储能材料中。碳纳米管对相变材料的相变温度和储能量级均产生影响：碳纳米管含量越高，复合材料的熔程越窄，储能量级增大，对温度变化的反应程度升高，由此制得性能更加优异的复合相变储能材料。3.碳纳米管的制备方法及其原理

常用的碳纳米管制备方法主要有：激光蒸发气相沉积法、火焰法、离子(电子束)辐射法

a)激光蒸发气相沉积法

其原理是利用激光束照射至含有金属的石墨靶上，将其蒸发，同时结合一定的反应气体，在基底和反应腔壁上沉积出碳纳米管。Smalley等制备C60时，在电极中加入一定量的催化剂，得到了单壁碳纳米管。Thess等改进实验条件，采用该方法首次得到相对较大数量的单壁碳纳米管。实验在1473K条件下，采用50ns的双脉冲激光照射含Ni/Co催化剂颗粒的石墨靶，获得高质量的单壁碳纳米管管束。这种方法易于连续生产，但制备出的碳纳米管的纯度低，易缠结，且需要昂贵的激光器，耗费大

b)火焰法

该方法是利用甲烷和少量的氧燃烧产生的热量作为加热源。在炉温达到600～1300℃时，导入碳氢化合物和催化剂。该方法制备的碳纳米管结晶度低，并存在大量非晶碳。但目前对火焰法纳米结构的生长机理还没有很明确的解释。