本文介绍了近几年显热储热材料、相变储热材料以及化学储热材料的材料体系及性能特点。对各种储热材料的组成、特点、制备工艺和存在的问题进行了讨论。分析表明相变储热具有循环温度恒定、相比来说较高的储能密度、易控且安全等优点，此外，

  能源是人类社会赖以生存的重要物质基础和社会持续健康发展动力。英国石油公司在《BP世界能源展望2019》与《BP世界能源展望2020》中指出：一次能源消耗量的年平均增长率为1.9%，预测中国2050年能源消费将占全球能源消费的20%以上。中国作为能源消耗大国，能源已慢慢的变成为制约国家经济发展的关键，因此，发展可再次生产的能源与新能源是我们国家的经济可持续发展的关键。

  与燃煤等化石能源相比，大多数清洁能源具有波动性、间歇性等特征，存在供能和用能时空不匹配问题。储能技术能够有效缓解清洁能源的间歇性和不连续性问题，是有效提升清洁能源利用率、发展清洁供暖的方式之一。据统计，全球90%的能源预算是围绕热能的转换、传递与储存展开。在以太阳能热发电和低温余热利用为代表的可再次生产的能源利用技术中，主要转换能量为热能，并且目前储热技术的成熟度较高，成本较低，适合大规模储能应用。

  综上所述，储热技术是目前应用比较广泛、性价比较高的储能技术，对提高能源综合利用率、开发可再次生产的能源和利用余热资源具备极其重大意义。本文主要以相变材料为主，介绍了不一样储热材料的组成、制备技术、特性及应用，为后续深入研究提供参考。

  根据热能储存和释放方式，可将储热技术分为化学储热与物理储热，其中物理储热又可分为显热储热、相变储热。各种储能方式的特点如表1所示。

  化学储热是将化学反应热储存在化学物质中，通过吸热反应储存能量，其逆反应放出能量，化学储热的储热密度约为显热储热的10倍。化学储热具有高储热密度优点，可以缩小单位热化学储热单元的体积，来提升系统的总储热能力。但是，化学储热存在反应过程复杂、设备性能要求高、性价比低等缺点，在实际应用过程中有可能会出现设备严密性差、材料腐蚀的问题，目前该项技术仍处于早期研究阶段。

  显热储热是通过物质自身温度改变，依靠储热材料的热物理性能来进行热量的存储和释放。显热储热应用通常只需控制温度，操作与管理简单、技术成熟，具有热容大和成本低的特点，是目前应用比较广泛的储热方式。其中水是100℃以内性价比最高的液态显热储热材料，但这类材料储热密度较低，气温变化大，系统占用空间大，难以在紧凑空间内使用，存在一定的应用局限性。

  相变储热通过材料在发生相变过程时吸收或放出潜热。相变储热材料可分为有机类、熔融盐类、合金类及复合类等。相变材料主要在固、液、气三相状态中变化，其中固—液相变材料的储能密度较大，相变过程中体积和气温变化小，是目前的主要研究对象。相变材料在太阳能热利用、废热余热回收、建筑节能等领域拥有非常良好的应用前景。

  相变储热通常是指固—液相变。相变储热的储热密度是显热储热的5～10倍，可大幅减小设备体积，缩小系统占地面积；相变材料在相变过程中温度和体积变化较小，操作控制简单，并提高了储热控制的安全性；同时，相变储热的成本低于显热储热、化学储热和大多数的储电技术。因此，相变储热是各方面性能比较均衡的储热技术，大范围的应用于能源、电子电气设备、服装纺织和防火阻燃、航天航空的动力支持与热防护等领域，应用前景广阔。

  根据相变温度，相变材料可分为低温相变材料（＜100℃）、中温相变材料（100～300℃）和高温相变材料（＞300℃）。低温相变材料主要是由有机相变材料组成，如石蜡、脂肪酸及其衍生物类、多元醇、聚乙烯类等。目前，低温相变材料在建筑物温度调控领域比较广泛的应用。中高温相变材料主要由无机相变材料组成，大致分为无机盐类和合金类，其中无机盐相变材料具备更大的储热温区和更便宜的价格，因而在中高温储热领域具有更大的优势。

  根据应用研究，相变材料应具备以下性质：1）较高的相变储热；2）合适的相变温度；3）较高的比热容；4）较高的导热系数；5）较高的循环稳定性；6）较弱的腐蚀性；7）较高的耐热性；8）较小的体积膨胀率；9）无相分离和过冷现象；10）安全性高；11）低成本。然而，在真实的情况下，这些性质往往无法同时满足，不一样的种类的相变材料有不同的特点和局限性，因此对不同的相变材料性能作对比分析，通过材料复合技术，从多个角度对基材来优化，改善其在储热传热、安全稳定、投资所需成本等方面的综合性能，得到性能更为优越的复合相变材料，进一步拓展相变储能的应用前景。

  有机相变材料大多为中低温储热材料，主要有醇类、石蜡、脂肪酸、芳香烃类及高分子聚合材料等，相变储热约150～240J/g。

  有机类储热材料具备单位质量储热密度高、循环稳定性高、固态成型好、化学性质稳定、过冷度小、腐蚀性低、耐热性较好、不存在相分离与过冷、成本较低等优点；但是其单位体积储热密度低、相变点较低、导热系数小、密度较小且部分材料存在一定的毒性，不适于高温场合使用。部分有机相变材料的热物性参数见表2。

  无机相变材料具备体积储热密度大、导热系数较高、价格低等优点，但在使用时存在过冷和相分离现象。过冷是指材料需要到冷凝点以下才开始结晶，材料不能及时发生相变，导致不能及时的释放和利用热量。可通过以下方法解决：1）成核剂法，通过成核剂形成适合晶体成核与生长的环境条件，避免过冷现象，但如何明智的选择合适的成核剂很难；2）冷指法，将部分固态结晶水合物预留下来，作为用于引发材料发生相变的凝结核心，但相变过程无法自发进行，需要人工操作，使用不方便。相分离是指非晶态固体脱水盐在升温度时无法完全溶解于释放的结晶水中，在降温时，脱水盐未完全溶解并下沉至容器底部，导致没办法与结晶水结合重新结晶，形成相分层，导致储热能力变弱。解决相分离的方法有加入增稠剂和加入晶体结构改变剂。增稠剂将体系转为凝胶体，减弱晶体颗粒的聚集，晶体结构改变剂改变水合盐的晶体结构，二者可结合使用。

  结晶水合盐（分子式：AB·nH2O，AB表示一种无机盐，n是结晶水的数目）是中低温储热领域的主要材料，通过结晶水的脱除和结合实现热能的存储和释放。结晶水合盐的相变点一般在100℃以下，导热系数在0.5 W/（m·K），左右储热密度一般为200～700 J/cm3，单位体积储热密度可达350 kJ/L以上，具有较高的储热能力和导热系数。其适合使用的范围广、材料易得且成本较低，常应用于建筑物的保温材料和热水系统等。结晶水合盐包括碱和碱土金属的卤化硝酸盐、硫酸盐、乙酸盐等，其热物性参数见表3。

  无机熔融盐是中高温领域的主要储热材料，具有潜热密度大、温度涵盖范围广、成本低、耐热性好、易于控制和管理、饱和蒸汽压低等优点，在太阳能发电及工业余热利用等领域已初步应用。

  常用的熔融盐有碳酸盐、氯化盐、硝酸盐、氟化盐，其中硝酸盐相较于其他类熔融盐，具有熔点低、价格低、腐蚀性小等优点，已大范围的应用。表4为几种常见熔融盐的热物性能。

  除熔融盐的性能研究外，许多学者围绕传热强化和复合定型，针对提高相变材料与容器的相容性、减小材料体积变化的问题展开研究。

  熔融盐中加入三维网络结构泡沫金属制备复合定型相变材料，能大大的提升材料的导热能力，但其对金属材料会形成腐蚀反应，并且制备成本比较高。无机盐相变材料对金属材料的腐蚀作用包括：一种是氧化作用，金属以离子态存在液态无机盐中；另一种是无氧化作用，以金属态溶解在液态无机盐中。容器材料一般会用低碳钢、纯镍等具备一定抵抗腐蚀能力的金属。

  碳基材料与相变材料复合后可以大幅度提高导热能力，碳基材料具备良好的导电性、导热性和化学稳定性，其中膨胀石墨价格较低，且具有高吸附性和高导热系数，是碳基材料强化传热的主要研究对象。

  熔融盐与无机硅酸盐材料制备复合定型相变材料，能够尽可能的防止液态熔融盐泄漏。目前常用的定性复合相变材料制备方法有混合共烧结法和直接吸附法，常用的复合材料有CaSiO₃、MgO、SiO₂、Al₂O₃等。

  金属及合金类材料具备导热系数高、饱和蒸汽压低、相变储热大等特点，但其价格高，且在高温中易氧化，为避免在使用的过程中出现泄露和氧化现象，需进行特殊密封处理。主要的相变金属有Al、Mg、Zn以及多元合金等，其热物性参数见表5。

  2.3相变储热材料的应用研究现状随着《关于推进电能替代的指导意见》《电力发展“十四五”规划》等政策发布，相变储热材料的研究也逐渐走向商业化。国内外已有许多公司实现了大规模储热材料的应用。

  电网规模热储能技术开发商长时储热技术公司MaltaAzelio采用一种由再生铝合金制成的相变材料作为储热介质，该材料可以被加热到600℃，实现长达13 h的电力储存，预计系统寿命一般可以达到30年，已在阿联酋、迪拜太阳能发电厂进行应用。瑞典初创公司Azelio开发了一种基于回收铝的相变材料用于储热；澳大利亚RayGen公司将太阳能光伏、聚光太阳能和热吸收结合在一起；德国Lumenion公司将能量储存在温度高达650℃的钢模块中；英国Highview Power公司则采用低温液态空气作为能量存储介质。

  我国江苏金合能源科技有限公司已开发出数十种复合相变储热材料，材料应用温度最低-150℃，最高1 000℃，材料的有效储热密度最高达1 000 kJ/kg。其中，应用最广的产品是相变蓄热式电暖器和相变蓄热式电锅炉，应用原理如图1所示。针对电源侧蓄热调峰，在电源侧/用户侧布置高能量密度的相变蓄热电锅炉，根据电网调度指令实时投切，将热电机组调峰的电负荷转化为热能储存，并依据用户的需求将热能以热水、蒸汽等方式输出。

  综上所述，热化学储热是三者中储能密度最大的，但存在安全性、转化效率、经济性等问题，难以实现规模化、商业化。显热储热材料是目前应用最广、性价比较高的储热材料，但其储热密度低、储/放热过程中气温变化大。相变储热材料是当下研究的重点和热点，虽然不一样的储热材料性能各不相同，但可通过复合技术解决，目前制备复合相变储热材料有封装、浸渍吸附、包裹、混合烧结等方法，并且部分复合储热材料已走向了商业化进程。由于持续不断的增加的运行成本和热电转换效率的问题，热－热循环仍会是未来的研究重点，储热技术对于工业过程和电网的长期需求都是可行的。

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