Nature Energy：動態相變材料，能量和功率密度提高2-3倍！

一、【導讀】

目前，半導體器件和電動汽車需要高性能的熱管理系統，而這些系統的故障可能會導致功能喪失和人員傷亡。使用移動流體的主動冷卻系統可以提供大量冷卻，但它們需要外部電源和控制。利用相變材料（phase change materials, PCMs）進行熱管理是一種很有前途的冷卻和能量存儲解決方案，其中PCMs提供了存儲或釋放材料潛熱的能力。開發PCMs的策略通常集中于提高具有相對較低熱導率的材料，如冰（約1 W m^-1 K^-1）和石蠟（約0.1 W m^-1 K^-1）等。其中純PCMs與金屬或石墨散熱器或泡沫的組合，改進了PCMs性能，實現了高達200 J cm^-3的能量密度和0.5 W cm^-3的功率密度。然而，PCM材料仍存在一個無法克服的根本性問題，即隨著熔體前沿不斷遠離熱源，傳熱迅速減少。高熱阻對PCM熱管理方法的最大可實現的時間相關功率密度提出了基本限制。此外，雖然過去的大多數研究都使用蓄熱外殼或膠囊內的重力來降低液膜厚度，但是沒有一個研究表明在極端熱通量下具有穩健的溫度控制。

二、【成果掠影】

近日，美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校Nenad Miljkovic（通訊作者）等人報道了一種通過，并提高有效能量和功率密度的方法。其中，作者將這種方法中使用的材料稱為動態相變材料（dynPCMs）。通過使用可擴展、均勻、成熟且經濟高效的PCMs，作者展示了在高功率密度（約1 W cm^-3）下穩定的表面溫度控制。此外，使用石蠟，作者證明了有效能量密度和功率密度分別為230 J cm^-3和0.8 W cm^-3，而使用鎵（Ga），有效能量密度和功率密度分別為480 J cm^-3和1.6 W cm^-3。通過分析和有限元模型結合實驗數據，作者證明了使用金屬dynPCMs獲得了接近3kW cm^-2的高熱流的可能性。該方法通過在高熱流密度和功率密度下提供簡單、低成本、穩定和可擴展的策略，克服了傳統PCM基熱能存儲技術帶來的障礙。研究成果以題為“High power and energy density dynamic phase change materials using pressure-enhanced close contact melting”發布在國際著名期刊Nature Energy上。

本文所有圖來源于? 2022 Springer Nature Limited。

三、【核心創新點】

√ 利用壓力增強的緊密接觸熔化對熔體前沿位置的空間控制的方法，構建了動態相變材料（dynPCMs）

√ 石蠟有效能量密度和功率密度分別為230 J cm^-3和0.8 W cm^-3，而使用鎵（Ga）有效能量密度和功率密度分別為480 J cm^-3和1.6 W cm^-3

四、【數據概覽】

圖一、比較傳統PCM和dynPCM
（a）傳統PCM冷卻期間的瞬態響應示意圖；

（b）dynPCM冷卻期間的瞬態響應的示意圖；

（c）不同PCMs的傳導熱阻（R_th）作為與熱源的熔體前沿距離的函數；

（d）在熱通量為q”=1.15 W cm^-2下，比較傳統PCM和dynPCM冷卻的加熱表面溫度（T_s）的實驗；

（e）傳統PCM冷卻與dynPCM冷卻的模擬熱通量結果

圖二、熱量實驗
（a）在恒定熱通量（q”=1.15 W cm^-2）下，不同樣品的熱源表面溫度（T_s）隨時間的變化；

（b）在不同熱通量下，比較混合和dynPCM方法；

（c）在不同熱通量和恒定施加P=6.4 kPa表壓下，dynPCM的冷卻；

（d）dynPCM在高溫下冷卻的循環實驗；

（e）不同壓力和熱通量下，dynPCM的冷卻行為；

（f）穩態溫度（T_ss）和熔化速度（u）作為熱通量的函數

圖三、dynPCM性能的仿真和分析模型
（a）1D COMSOL相變模擬延時顯示傳統石蠟PCM在q”=0.22 W cm^-2處熔化；

（b）在恒定壓力（6.4 kPa）下使用熱通量作為輸入計算的理論液體層厚度；

（c）dynPCM實驗在P=6.4 kPa和q”=1.45 W cm^-2時的紅外成像

圖四、dynPCM的熔化和凝固循環
（a）熔化過程的示意圖和延時照片；

（b）熔化過程的延時照片；

（c-d）重置過程的示意圖和延時照片；

（e）在q”=1.45 W cm^-2和三個連續完整循環期間，在容器底部和石蠟之間的界面處實驗測量的溫度（T_s）；

（f）COMSOL模擬結果顯示t_sol/t_melt比值是熔化熱通量、容器形狀等的函數

圖五、不同dynPCMs的性能
（a）體積功率密度作為不同有效冷卻時間下有效能量密度的函數；

（b）COMSOL模擬獲得的最大適用熱通量，用于半無限PCM熔化，作為有效冷卻時間的函數

五、【成果啟示】

綜上所述，作者開發了一種使用壓力增強緊密接觸熔化在空間上控制純PCMs熔體前沿位置的方法。與傳統的靜態方法相比，作者證明了石蠟和Ga的有效能量密度和功率密度被有效的提高。此外，它還可以在高熱通量下實現穩定的表面溫度，而無需添加高導熱性添加劑。該方法廣泛用于熱管理和能量存儲應用，并且易于以具有高效益的方式擴展，幾乎沒有技術障礙，這源于成熟和驗證的方法，如潤滑理論、熔體物理、驅動方法和低能耗。

文獻鏈接：High power and energy density dynamic phase change materials using pressure-enhanced close contact melting. Nature Energy, 2022, DOI: 10.1038/s41560-022-00986-y.

本文由CQR編譯。

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