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背景介绍

随着“双碳”战略的提出及储能技术的发展，相变材料由于其储热密度高与温度波动小而备受关注。相变材料固液相变时，存在泄露及腐蚀问题，胶囊化封装是解决上述问题的有效方法。但是，相变材料封装在受限空间内时，温度升高及固液相变时过大的体积膨胀将会导致胶囊壳材破裂。受此影响，相变材料胶囊化长期停留在低温领域及液相封装（液相体积大，液固转变时体积收缩）。近年来，随着相变材料胶囊化拓展到中高温领域及固相包覆技术的发展，考虑热膨胀的胶囊化封装策略有望解决热胀导致胶囊破碎的难题。

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成果掠影

近日，宁波大学邹得球教授团队概述了相变材料胶囊化封装过程中的热胀挑战及解决策略。团队首先总结了常见相变材料及其封装壳材的体积膨胀率，分析了受限空间内相变材料的热胀行为，阐述了未考虑热膨胀的相变材料胶囊化的负面影响。随后结合课题组在中高温储热领域提出的“双层包覆、牺牲内层”法对金属相变材料微胶囊化的创新成果，及电子热管理领域提出的液态金属液相微胶囊化成果，分别阐述了考虑热膨胀的大胶囊和微胶囊封装策略，比较分析了各种策略的优缺点，并介绍了耐热胀的胶囊化相变材料应用。最后，提出了当前存在的问题、相应的解决方案和未来的研究方向，指出今后有必要更加重视相变材料胶囊化封装策略的普适性，及构建各种相变芯材及壳材的热膨胀率数据库，利用人工智能优化设计耐热胀的胶囊化相变材料。研究成果以“Thermal Expansion Challenges and Solution Strategies for Phase Change Material Encapsulation: A Comprehensive Review” 为题发表在《Advanced Functional Materials》。

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图文导读

图1 考虑热膨胀的相变材料胶囊化封装策略

图2考虑热膨胀的胶囊化封装策略的发展历程

图3 （a）PCM球形宏观封装示意图。（b）经过低温热处理（左）和1200°C热处理（右）后宏观胶囊的垂直横截面。（c）600次热循环后宏观胶囊的横截面。（d）复合PCM的横截面。3000次热循环后Al2O3壳的SEM图像（e）和（f）。（g）尺寸为4mm@0.25mm@2mm和8mm@0.5mm@2.5mm的Al@Al2O3的光学图像。（h）Al芯在3000次热循环前后的DSC曲线。

图4（a）通过添加Al（OH）3合成Al-25wt%Si@Al2O3的流程图。（b）在添加不同量的Al（OH）3后进行热氧化处理后获得的PCM的原子力显微镜（AFM）图像。在添加不同量的Al（OH）3后形成的MEPCM在熔融过程（c）和凝固过程（d）的DSC曲线。在添加不同量的Al（OH）3后进行热氧化处理后获得的PCM的SEM图像（e）和（f）。3000次耐久性测试循环后的MEPCM的SEM图像（g）和（h）。勃姆石涂层和热氧化相结合制备的MEPCM的SEM图像（i）和（j）。（k）Al-25%Si@Al2O3复合PCM的横截面视图。

图5（a）Sn@void@SiO2-NPs的制备流程图。（b）负载不同浓度纳米Co的MEPCMs的DSC曲线。（c）Sn@void@SiO2-0.8％Co和Sn@SiO2-0.8％Co的DSC曲线。（d）不同制备过程中的SEM图像。（e）Sn@void@SiO2-0.8％Co在不同循环次数后的DSC曲线。

图6 耐热胀胶囊化相变材料的应用。

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