研究背景：

由于有机固液相变材料具有高相变焓、稳定的相变温度、低成本和优异的物理化学性能，因此他们在建筑节能、电池热管理、光伏组件温度控制、光热利用和热能存储广泛应用。

并且，基于有机固液相变材料的光热转换和存储技术，有望克服太阳能的间歇性和热能供需不匹配的问题，在太阳能应用中展现出巨大的前景。然而，固液相变过程中固有的低热导率（TC）和易泄漏限制了其广泛的实际应用。

研究人员为提高有机固液相变材料的综合性能做出了许多努力。提高PCMs TC的主要方法是在PCMs中添加填料，碳基材料（碳纳米管、石墨烯、膨胀石墨（EG）、泡沫碳)、金属泡沫和纳米颗粒。同时，部分TC填料还起到一定的防渗漏、吸收太阳光和作为支撑载体等作用。

上海第二工业大学邴乃慈副教授和于伟教授合作，以“Energy harvesting and storage blocks based 3D oriented expanded graphite and stearic acid with high thermal conductivity for solar thermal application”为题在《Energy》期刊（IF=7.147）发表研究性文章。

研究内容：

有机固液相变材料（PCM）的光热转换和存储在克服不连续太阳辐射方面显示出巨大的潜力。然而考虑到制造出色的光热转换、传热和能量存储的集成设备仍然是一个挑战。

文中，作者通过压缩诱导石墨片自组装构建3D取向膨胀石墨(EG)，然后加载硬脂酸(SA)以形成取向PCM。在相同的石墨质量分数和填充密度下，3D PCM的面内热导率、热响应和储能密度优于非取向PCM。

当石墨含量为20wt%时，定向相变材料的热导率比非定向相变材料高34.2%，潜热保持在159.36 J/g以上。

我们进一步制备了储能砖，并协调定向EG垂直于铜管轴向的热传导。储能砖的光热能转换效率达到95.3%，充放电过程平均功率分别为2.1 kW和2.4 kW。该太阳能储能装置的设计方法提高了PCMs的光热转换、储能效率，为大规模光热应用提供了一种简单且经济的策略。

研究结果：

图1.构建定向3D石墨骨架与EG/SA定向复合块的合成示意图。

图2.储能系统示意图。

图3.(a)原始EG、(b)3D定向EG、(c)PCM1(S2)和(d)PCM2(S8)的SEM图像。（SA标记为蓝色）。

图4.SA、EG、PCM1(S2)和PCM2(S8)的(a)XRD光谱和(b)FT-IR光谱。

图5.纯SA、PCM1和PCM2的相变行为。(a)纯SA和S8在加热和冷冻过程中的DSC曲线。(b)纯SA和加热和冷冻过程中的DSC曲线。(c)纯SA、S2、S8和S10的熔化和凝固潜热。(d)S2在不同循环时间的潜热。

图6.PCM1和PCM2在室温下的热传导特性。(a)PCM2的TC随EG含量的变化而变化(所有复合材料的堆积密度都控制在0.95 g·m-3的最佳密度)。(b)不同堆积密度的PCM1和PCM2的TC。(c)PCM1和PCM2的TC机制。(d)不同复合材料的TC和增强因子比较。

图7.不同样品的加热和冷却过程及表面温度的红外热图像。

图8.光热转换性能测试得到的不同样品的时间-温度曲线。(a)样品光热转换性能实验装置示意图。(b)从两个光热表面到复合块的传热示意图。(c)两个光热表面和纯SA表面的全光谱吸收。阴影显示太阳辐射。(d)在100 mW·cm-2光强下，炭黑 3D表面和纯SA复合块内部的温度分布。(e)在极端日照强度下，PCM1和PCM2的内部温度分布。Journal Pre-proof 21插图显示了其潜热存储时间。(f)不同厚度（1 cm、2 cm、4 cm、7 cm）储能砖的热性能。插图显示了它的能量存储时间。

图9.(a)储能砖传热过程示意图和(b)红外照片。

图10.(a)和(b)PCM1在不同进水温度下的加热和冷却过程。(c)和(d)在加热过程中特定进水温度下ESB1和ESB2的温度演变。

来源|Energy，热质纳能原文|https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.124198