張正國(guó)：尊敬的各位領(lǐng)導(dǎo)，各位朋友，大家上午好！很高興有機(jī)會(huì)來(lái)美的公司進(jìn)行交流并報(bào)告我們團(tuán)隊(duì)在熱能儲(chǔ)存領(lǐng)域做的相關(guān)工作。其實(shí)我來(lái)美的次數(shù)很多，很多時(shí)候作為專(zhuān)家來(lái)參加你們的項(xiàng)目驗(yàn)收評(píng)審，也有跟不同的部門(mén)進(jìn)行技術(shù)方面的交流。

我今天匯報(bào)的題目是儲(chǔ)熱技術(shù)的研究及應(yīng)用，包括下面幾個(gè)內(nèi)容，簡(jiǎn)單介紹一下儲(chǔ)熱技術(shù)，重點(diǎn)介紹相變材料的制備，還有在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用。

儲(chǔ)能技術(shù)的背景像剛才李主任講的國(guó)家雙碳目標(biāo)，2030年要達(dá)到碳排放的峰值到2060年要實(shí)現(xiàn)碳中和，要實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，核心技術(shù)要素是既要大幅度提高化石能源的利用效率，又要大規(guī)模的開(kāi)發(fā)和利用可再生能源。

儲(chǔ)能技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)比較重要的技術(shù)，如果按照儲(chǔ)能技術(shù)的分類(lèi)，包括電能儲(chǔ)存，也包括熱能儲(chǔ)存，還包括氫能儲(chǔ)存，所以電、熱、氫都是要發(fā)展的儲(chǔ)能技術(shù)。我們團(tuán)隊(duì)更多聚焦在熱能儲(chǔ)存的相關(guān)研究。這里可以看到目前在儲(chǔ)能領(lǐng)域，抽水儲(chǔ)能占儲(chǔ)能的絕大比例，化學(xué)儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能等等各種各樣的儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展非?？?。

在面對(duì)儲(chǔ)熱技術(shù)的應(yīng)用時(shí)，我們團(tuán)隊(duì)聚焦在如下幾方面，如電池的熱管理、熱泵空調(diào)系統(tǒng)和建筑節(jié)能等：

關(guān)于化學(xué)儲(chǔ)能的安全性問(wèn)題，我們知道電池對(duì)溫度非常的敏感，著火、燃燒、爆炸等安全問(wèn)題會(huì)制約電池的應(yīng)用，必須采用熱管理技術(shù)，而儲(chǔ)熱技術(shù)可以與電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)相結(jié)合。

從熱能的利用來(lái)看，整個(gè)社會(huì)來(lái)講50%以上的能源方式都是以熱能方式進(jìn)行消耗，而我們國(guó)家熱能的利用效率水平還有待進(jìn)一步提高，所以我們國(guó)家出臺(tái)一系列支持儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用的行動(dòng)方案。這是從2016年到2022年我國(guó)出臺(tái)大力鼓勵(lì)儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用的政策，包含了儲(chǔ)熱技術(shù)的應(yīng)用。

儲(chǔ)熱技術(shù)，簡(jiǎn)單來(lái)講就是一項(xiàng)熱能的儲(chǔ)存技術(shù)，像我們的加熱水的過(guò)程就能把熱能儲(chǔ)存起來(lái)。儲(chǔ)熱技術(shù)的核心就是用來(lái)實(shí)現(xiàn)熱能儲(chǔ)存的材料。儲(chǔ)熱技術(shù)主要包括三大類(lèi)：

第一類(lèi)是通過(guò)顯熱的方式進(jìn)儲(chǔ)熱，比如通過(guò)把固體、液體、氣體的溫度升高，可以把熱量?jī)?chǔ)存起來(lái)，儲(chǔ)熱密度的大小取決于材料本身（質(zhì)量、比熱容），以及儲(chǔ)熱過(guò)程中的溫差。目前比較廣泛應(yīng)用的是熔融鹽高溫儲(chǔ)熱，可以把溶融鹽從200多度升到500-600度，利用大的溫差對(duì)熱能的儲(chǔ)存是比較有利的。

第二類(lèi)是利用潛熱進(jìn)行儲(chǔ)熱，即通過(guò)材料的相變過(guò)程進(jìn)行熱能儲(chǔ)存。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子是水結(jié)成冰，冰融化成水。相變過(guò)程有兩個(gè)典型的特征。第一，相變溫度相對(duì)比較穩(wěn)定。第二，有比較高的相變潛熱值?；谶@樣的特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)熱能的儲(chǔ)存和釋放，同時(shí)還可以對(duì)發(fā)熱器件進(jìn)行溫度的調(diào)控。

第三類(lèi)是可以通過(guò)化學(xué)反應(yīng)的方式進(jìn)行儲(chǔ)熱。比如說(shuō)，正反應(yīng)如果是吸熱，那么它的可逆反應(yīng)就是放熱，化學(xué)反應(yīng)這種儲(chǔ)熱方式的最大特點(diǎn)是什么？具有非常非常高的儲(chǔ)熱密度，無(wú)論是比潛熱還是顯熱都高得多，但缺點(diǎn)是化學(xué)反應(yīng)過(guò)程相對(duì)難以控制，因?yàn)樯婕暗綁毫蛘唧w積的變化，還有一些系統(tǒng)性問(wèn)題需解決，目前應(yīng)用比較少，更多還停留在學(xué)術(shù)研究方面。

總體來(lái)講，對(duì)比顯熱、潛熱和化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱，潛熱儲(chǔ)熱技術(shù)相對(duì)比較折中，既有比較好的過(guò)程可控性，同時(shí)也有相對(duì)比較高的儲(chǔ)熱密度，所以在目前研究的領(lǐng)域和應(yīng)用場(chǎng)景上，還是比較多的。

這里重點(diǎn)介紹一下在相變儲(chǔ)熱領(lǐng)域的一些相關(guān)研究，首先從材料制備層面上講，相變材料有很多種類(lèi)，可以采用有機(jī)物類(lèi)，比如烷烴；還有無(wú)機(jī)類(lèi)的，包括水合鹽、無(wú)機(jī)鹽及金屬類(lèi)；還有一些共晶物，可以通過(guò)有機(jī)、有機(jī)和有機(jī)、無(wú)機(jī)等等材料進(jìn)行雜化。每種材料都有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，相變材料覆蓋的溫度范圍非常寬，可以從零下接近負(fù)100度，到零上接近1000度，都能夠找到對(duì)應(yīng)的一些材料作為熱能的儲(chǔ)存材料來(lái)應(yīng)用，滿(mǎn)足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求，比如低溫儲(chǔ)冷用于冷鏈運(yùn)輸；高溫儲(chǔ)熱用于太陽(yáng)能熱利用和工業(yè)放熱余熱回收等等領(lǐng)域。

有機(jī)物和無(wú)機(jī)物材料的特點(diǎn)不一樣，有機(jī)物通常沒(méi)有過(guò)冷，化學(xué)性質(zhì)相對(duì)比較穩(wěn)定，也沒(méi)有腐蝕性；最大的缺點(diǎn)就是對(duì)比無(wú)機(jī)物，它的成本相對(duì)比較高，導(dǎo)熱系數(shù)特別低；無(wú)機(jī)物成本比較低，潛熱值也相對(duì)比較高。當(dāng)然它也有很多的缺點(diǎn)，腐蝕性、性能不穩(wěn)定等等，都需要我們進(jìn)行改進(jìn)。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，相變材料需滿(mǎn)足如下特征。

第一，過(guò)冷度很低，或者最好沒(méi)有過(guò)冷，同時(shí)有比較高的潛熱值，而且它的性能要很穩(wěn)定，有比較高的比熱容，導(dǎo)熱性能可根據(jù)我們的需求進(jìn)行調(diào)控，有的應(yīng)用場(chǎng)景需要它高的導(dǎo)熱系數(shù)，有的場(chǎng)景則需要導(dǎo)熱系數(shù)比較低，這需與其它材料進(jìn)行復(fù)合進(jìn)行調(diào)控。通過(guò)對(duì)材料進(jìn)行復(fù)合，可以解決普通相變材料在應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題，首先，比如說(shuō)固液相變材料存在液體的流動(dòng)性，這會(huì)帶來(lái)封裝的問(wèn)題，應(yīng)用時(shí)要防止它泄漏；

第二是導(dǎo)熱性能的調(diào)控問(wèn)題，很多時(shí)候需要比較高的導(dǎo)熱系數(shù)，可以采用高導(dǎo)熱的介質(zhì)作為它的支撐材料，制備一種多孔基體作為載體的復(fù)合相變材料。要抑制液體的流動(dòng)性，我們也可以制備膠囊封裝的材料，把相變材料封在膠囊體里面，我們還可以將相變材料與聚合物復(fù)合在一起?？傊嗫捉橘|(zhì)封裝、膠囊封裝以及聚合物封裝都是目前從材料制備的角度上比較常見(jiàn)的復(fù)合技術(shù)。

對(duì)于高導(dǎo)熱的相變材料，可以使用碳材料作為載體與相變材料進(jìn)行復(fù)合，碳材料有比較好的導(dǎo)熱性能和可靠性，跟相變材料復(fù)合在一起制備出具有高導(dǎo)熱的復(fù)合相變材料。碳材料有多孔結(jié)構(gòu)，作為載體可以發(fā)揮表面張力和毛細(xì)作用率的相互作用，能抑制液體的動(dòng)性，因此復(fù)合相變材料能夠保持定型的特征，在相變過(guò)程中宏觀(guān)上保持固體的形狀，同時(shí)碳材料高的導(dǎo)熱系數(shù)可以顯著的提升復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱性能，最高導(dǎo)熱系數(shù)可以提高二百倍以上，比如有機(jī)物的導(dǎo)熱系數(shù)只有0.3W/m.K左右，通過(guò)復(fù)合壓縮定型之后，導(dǎo)熱系數(shù)能接近60W/m.K，得到數(shù)量級(jí)的提高。

對(duì)于膠囊狀的相變材料，我們既可以制備聚合物殼的膠囊，也可以制備成無(wú)機(jī)物殼的膠囊，它的外殼材料是可以選擇的，膠囊的粒徑也可以進(jìn)行調(diào)控，可以制成微米級(jí)的膠囊，也可以制成納米級(jí)的膠囊，而且它的膠囊外殼還可以進(jìn)行改性，膠囊狀相變材料也可以作為功能產(chǎn)品在溫控領(lǐng)域中應(yīng)用。

聚合物基復(fù)合相變材料，能實(shí)現(xiàn)相變材料的柔性特征，既可以解決相變過(guò)程中液體的流動(dòng)性，同時(shí)也可以作為一種溫控結(jié)構(gòu)材料，直接貼附在一些發(fā)熱器件表面實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制，后面我也會(huì)簡(jiǎn)單介紹一下。這就是我們目前在儲(chǔ)熱領(lǐng)域中應(yīng)用或者是研究比較多的三類(lèi)材料。

從儲(chǔ)熱材料的應(yīng)用層面上來(lái)講：

第一，在電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域應(yīng)用。我國(guó)大力發(fā)展的新能源汽車(chē)，以及可再生能源發(fā)電的配套裝置儲(chǔ)能電站，都離不開(kāi)鋰離子電池的應(yīng)用，電池在儲(chǔ)能系統(tǒng)中起著非常關(guān)鍵的作用。

但是電池本身有很明顯的溫度敏感性，溫度如果太低，它的電荷轉(zhuǎn)移電阻就很大，隔膜里面離子的滲過(guò)率減小，離子導(dǎo)電率會(huì)下降。新能源汽車(chē)在東北比較受限，主要是電池的低溫性能很差。而在高溫的時(shí)候，電池的電極副反應(yīng)會(huì)加劇，導(dǎo)致電池的老化，減少使用壽命，溫度進(jìn)一步升高，導(dǎo)致電池的著火和爆炸。在一個(gè)電池模組里面，需要電池與電池之間的溫差一致性非常好，最好小于5度。因此，因此，電池的高效熱管理非常重要。

目前，無(wú)論是車(chē)載還是儲(chǔ)能電站，在電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域的主要技術(shù)包括空氣冷卻，液體冷卻，熱管導(dǎo)熱。我們團(tuán)隊(duì)做得比較多的工作是采用相變儲(chǔ)熱的方式進(jìn)行電池的熱量管理。

在相對(duì)短的時(shí)間內(nèi)，采用相變材料。

對(duì)電池進(jìn)行熱管理，電池的最高溫度會(huì)小于50度，電池間的溫差會(huì)小于3度，這對(duì)電池的應(yīng)用來(lái)講是一個(gè)很好的效果。但是傳統(tǒng)的相變材料因?yàn)橐_保高導(dǎo)熱系數(shù)，使用碳材料復(fù)合，這種材料有一定的脆性，跟電池的貼合不是很好，帶來(lái)較大的接觸熱阻，所以我們要開(kāi)發(fā)具有柔性的，能夠跟電池貼合度比較好的，同時(shí)有比較高導(dǎo)熱系數(shù)的材料。這樣的材料在很多使用電池的家用電器和電子產(chǎn)品上都有需求，能夠延長(zhǎng)使用時(shí)間。

第二，在電池長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)產(chǎn)熱的場(chǎng)景中，比如在儲(chǔ)能電站或車(chē)載系統(tǒng)中，要控溫就要有很大的相變材料用量，僅用相變材料來(lái)控溫是不現(xiàn)實(shí)的。因此，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中相變儲(chǔ)熱必須跟液冷、風(fēng)冷等主動(dòng)散熱形式相結(jié)合，我們團(tuán)隊(duì)也開(kāi)發(fā)一種潛熱型熱流體，它是一種相變?nèi)橐?，可以替代水。它的?yōu)勢(shì)是具有較高的比熱容，是水的2-3倍，所以在單位的控?zé)釙r(shí)長(zhǎng)下，可以減少流體的用量，或是降低電池模組之間的溫差，特別是在大倍率放電條件下，控溫效果非常好。

第三，除了對(duì)電池進(jìn)行控溫外，我們還非常擔(dān)心電池的著火和燃燒。目前比較主流抑制電池?zé)崾Э氐姆绞绞鞘褂玫蛯?dǎo)熱系數(shù)的氣凝膠作為隔熱材料，目的是在某一個(gè)電池?zé)崾Э氐臅r(shí)候，希望通過(guò)低的導(dǎo)熱系數(shù)形成隔熱層來(lái)阻止熱量其向周?chē)姵財(cái)U(kuò)散，從應(yīng)用效果來(lái)看，還很難實(shí)現(xiàn)完全抑制電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)。前不久有報(bào)道說(shuō)，我國(guó)每天至少有8臺(tái)新能源車(chē)發(fā)生著火事故。

鋰電池大于120度時(shí)會(huì)觸發(fā)熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。我們想，“堵”的方法不是最好的，能否開(kāi)發(fā)一種在120度附近吸熱速度比較快、且可以吸收很大熱量的材料？為此，我們開(kāi)發(fā)了一種具有儲(chǔ)熱功能的材料，放在電池模組里面進(jìn)行控溫，最近我們完成了一些電池模組的測(cè)試，證明它的抑制電池?zé)崾Э氐男Ч浅ｏ@著。

我們也研發(fā)了儲(chǔ)能電站的溫控產(chǎn)品，去年已經(jīng)應(yīng)用在近1000套儲(chǔ)能電站的集裝箱中。普通的儲(chǔ)能電站控溫模式是通過(guò)制冷機(jī)組產(chǎn)生低溫水對(duì)電池模組進(jìn)行控溫，我們?cè)谥评錂C(jī)組和儲(chǔ)能電站之間，增加了一個(gè)儲(chǔ)冷裝置，有什么好處呢？普通的儲(chǔ)能電站，配備的機(jī)組要滿(mǎn)足它最大的峰值熱負(fù)荷，而儲(chǔ)能電站溫控過(guò)程不是連續(xù)的。我們可以通過(guò)儲(chǔ)冷技術(shù)進(jìn)行熱管過(guò)程的調(diào)節(jié)，這樣一來(lái)給用戶(hù)帶來(lái)很多的好處：

1. 大大的減少制冷機(jī)組設(shè)備的投入。

2. 保障整個(gè)過(guò)程的可控性和運(yùn)行的平穩(wěn)性。

通過(guò)這種方式，大約可以提高1%的發(fā)電效率，減少運(yùn)營(yíng)成本。

儲(chǔ)熱技術(shù)除了應(yīng)用于電池?zé)峁芾硗猓€有一方向是在熱泵系統(tǒng)中應(yīng)用。在碳達(dá)峰和碳中和的背景下，第一是將熱泵系統(tǒng)跟太陽(yáng)能結(jié)合在一起構(gòu)建多能互補(bǔ)的供熱系統(tǒng)；第二是在峰谷電價(jià)差背景下降低運(yùn)行成本，可以利用低價(jià)電來(lái)制熱、儲(chǔ)熱，高價(jià)電時(shí)再來(lái)放熱。這個(gè)過(guò)程的核心就是儲(chǔ)熱系統(tǒng)，它既涉及到儲(chǔ)熱材料，也涉及到儲(chǔ)熱器。

為了兼顧傳熱性能和儲(chǔ)熱密度，我們?cè)趦?chǔ)熱器方面做了一些研究工作。第一，開(kāi)發(fā)高性能的儲(chǔ)熱材料；第二，設(shè)計(jì)一種高效的儲(chǔ)熱器結(jié)構(gòu)。思路是用高導(dǎo)熱材料和相對(duì)比較緊湊的儲(chǔ)熱器結(jié)構(gòu)，最終能夠開(kāi)發(fā)一種高儲(chǔ)熱密度，高換熱效率的儲(chǔ)熱器產(chǎn)品。

這個(gè)是我們跟美的合作研發(fā)的樣品，儲(chǔ)熱密度為33MJ，用10度的水進(jìn)行放熱，放熱有30MJ，這個(gè)方面還要進(jìn)一步優(yōu)化。我們以前也跟國(guó)內(nèi)一家制冷企業(yè)開(kāi)發(fā)了基于儲(chǔ)熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)不停機(jī)化霜的熱泵系統(tǒng)，比Panasonic他們報(bào)道產(chǎn)品還早。熱泵在冬季運(yùn)行的時(shí)候，可以通過(guò)儲(chǔ)熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)不停機(jī)的化霜。

此外，我們也跟美的公司合作開(kāi)發(fā)飲水機(jī)，通過(guò)儲(chǔ)熱換熱器快速將100度左右的開(kāi)水降到45度或55度左右，目前取得較好的研究進(jìn)展。儲(chǔ)熱技術(shù)還在其它領(lǐng)域?qū)嵤?yīng)用，比如儲(chǔ)熱式建筑材料、人體熱管理、電子器件控溫等。

最后總結(jié)一下，儲(chǔ)熱技術(shù)是實(shí)施碳達(dá)峰、碳中和進(jìn)的重要技術(shù)，高性能的儲(chǔ)熱材料以及高效儲(chǔ)熱器的開(kāi)發(fā)是核心，后續(xù)需持續(xù)推進(jìn)其在熱泵空調(diào)、熱管理、太陽(yáng)能利用、建筑節(jié)能等等領(lǐng)域的應(yīng)用。非常感謝，請(qǐng)批評(píng)指正，謝謝！