Advanced Materials:基于大尺寸定向石墨纳米片骨架的高导热相变储热复合材料及其热管理

储能技术可以实现能源供给与需求在时间、空间及强度上的匹配,提高能源利用效率。全球90%的能源预算围绕热能的转换、输运和储存,因此,热能储存技术在热量调配和提高能源综合利用效率方面具有非常重要的作用。基于相变材料的潜热储存具有储热密度高、放热过程温度近似恒定、结构简单、成本低等优点,可广泛用于规模化热能储存及电子器件热管理。然而,相变材料的热导率较低严重限制其充/放热功率及热响应速度,进而制约实际应用。现有复合相变材料合成方法主要采用二维碳材料(如石墨纳米片、多层石墨烯及单层石墨烯)作为添加剂或将二维碳材料组装成三维骨架以强化相变材料的热导率,这些二维碳材料通常具有超高的本征热导率(>1500 W/mK)。然而,当这些微纳米尺度的高导热二维碳材料作为添加剂或被组装成三维碳骨架与相变材料复合时,即使二维碳材料的含量高达50 wt%,想获得热导率高于10W/mK的复合相变材料仍然具有挑战性。研究发现,影响复合相变材料热导率的主要因素包括: 二维碳材料添加剂的含量、本征热导率、几何与尺寸特性,以及添加剂与相变材料的界面热阻。

上海交通大学ITWEA团队王如竹教授、李廷贤副教授及合作者针对这一问题提出通过构建大尺寸定向石墨纳米片三维骨架合成高导热相变储热复合材料的热设计新思路——首先将层状堆叠的天然石墨片以一定方式打开获得范德华力连接的大尺寸石墨纳米片,然后在复合相变材料合成过程中保留这种大尺寸结构。相关成果以“High‐Performance Thermally Conductive Phase Change Composites by Large‐Size Oriented Graphite Sheets for Scalable Thermal Energy Harvesting”为题,发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201905099)上。

研究团队通过巧妙的材料设计,采用低成本、高产量的膨胀石墨作为添加剂,在导热强化方面,获得了可与高成本的石墨烯相媲美的效果。以常用有机材料石蜡和硬脂酸为相变材料,当膨胀石墨添加含量低于40 wt% 时,复合相变材料热导率可高达 35 W/mK,比已有报道高出2~6倍。同时,复合相变材料中的三维石墨骨架可对液态的相变材料进行有效封装,实现定型的效果。在此基础上,作者又提出了复合相变材料高导热方向与传热方向相互协调的热管理器件制备方法,将复合相变材料与换热/产热组件结合,利用取向的石墨片层作为高导热石墨翅片实现器件水平的换热强化,获得了高功率密度的储热控温器件。研究团队展示了储热容量为1 kWh的高效相变储热模块,该研究成果有望加快相变材料在规模化储热及电子器件热管理方面的商业应用。

上述研究工作得到了国家自然科学基金创新研究群体项目(51521004)和国家重点研发计划项目(2018YFE0100300) 的资助。

上海交通大学ITEWA团队简介:

上海交大ITEWA团队由王如竹教授 (国家自然科学基金委创新群体负责人、2017和2018全球高被引科学家)领衔,曾在Joule、Prog Energ & Comb Sci、iScience、Research上发表多篇论文,该团队致力于解决能源、水、空气交叉领域的前沿基础性科学问题和关键技术,旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案,推动相关领域取得突破性进展。本文共同第一作者仵斯是上海交通大学博士研究生,共同第一作者和通讯作者李廷贤副教授是国家自然科学基金委优青,致力于储热和热管理研究,曾获得中国化工学会侯德榜青年奖。