浙大破解儲熱難題：一層200納米的涂層，讓熱能存儲速度飆升10倍

提到儲能設備，人們首先想到的往往是鋰電池。然而在能源世界里，還存在另一類同樣重要卻鮮為人知的“電池”——熱池。與鋰電池存儲電能不同，熱池專門用于存儲和釋放熱能。

從家中的保溫杯到樓頂?shù)臒崴?，從太陽能光熱電站的熔鹽儲罐到工業(yè)余熱回收系統(tǒng)，這些看似普通的裝置，本質(zhì)上都是一種用于儲熱的“熱池”，只是人們習慣性地關注其功能而非儲能屬性。根據(jù)國際能源署數(shù)據(jù)，全球終端能源消費中有近 50% 最終以熱能形式被直接利用掉，這使得熱能存儲在能源體系中占據(jù)著不可替代的地位。

目前主流的儲熱方式包括顯熱儲熱、基于潛熱的相變儲熱、熱化學儲熱等。其中，相變儲熱的原理是利用材料在固液相變過程中吸收或釋放大量潛熱來實現(xiàn)熱能的存儲與利用。

然而，相變材料長期面臨一個核心矛盾：高儲熱密度和快速充放熱能力難以兼得，限制了其充放熱功率。

針對這個長期矛盾，浙江大學范利武教授團隊近日在 Nature 發(fā)表研究成果，提出了一種基于“滑移強化接觸熔化機制”的創(chuàng)新方案。通過給儲熱容器內(nèi)壁涂上了一層 200 納米厚的超薄涂層，并結合預熱層同時實現(xiàn)了表面滑移以及脈沖加熱，團隊首次將相變熱池的功率密度推至超過 1 兆瓦每立方米，相比傳統(tǒng)儲熱裝置提升十倍以上。

（來源：Nature）

對于相變材料的核心矛盾，論文通訊作者范利武教授用通俗的比喻解釋：“這就像選打籃球的苗子，個子高的人彈跳力卻不一定好，在相變材料世界里，高儲熱和高導熱也很難同時具備。”

在 0 到 200 ℃這個與日常生活、建筑、工業(yè)余熱回收密切相關的溫區(qū)內(nèi)，那些能儲存大量熱量的有機材料，如石蠟、糖醇等，導熱性能普遍很差，導致充熱慢、放熱也慢。這種矛盾本質(zhì)上是材料屬性的限制。

過去幾十年，研究者主要沿著兩個方向試圖破解。一是通過添加高導熱填料來提升材料表觀的導熱性能，但這會導致儲熱容量被犧牲、流動性嚴重下降、系統(tǒng)可循環(huán)性受損。

二是利用接觸熔化機制，通過外力強制讓相變材料緊貼加熱面，雖然能在單次實驗中加快熔化速度，但需要運動部件或額外能耗，難以實現(xiàn)長期循環(huán)及規(guī)模化封裝。

浙大團隊的突破源于一個關鍵洞察：要想提升加熱效率，不能只盯著加熱面，非加熱側(cè)的壁面也是破題關鍵。如果相變材料牢牢粘附在冷壁上，就無法靠重力滑落回加熱區(qū)，導致傳熱溫度梯度越來越小，傳熱效率衰減。

圖 | 團隊相變熱池設計（來源：論文）

第一作者李梓瑞博士回憶道，研究過程經(jīng)歷了多輪迭代。

最初他們嘗試將整個儲熱單元置于外部加熱環(huán)境中，但發(fā)現(xiàn)能耗高且預熱耗時長。后來，北方冬天電車除冰的場景給了他啟發(fā)：汽車后擋風玻璃會內(nèi)置加熱線，采用局部電加熱方式，直接使整塊冰面脫附，而不是把整輛車放進暖房。于是團隊轉(zhuǎn)向開發(fā)集成在容器內(nèi)壁的加熱層，通過短時、低功耗的脈沖加熱觸發(fā)材料脫離，大幅提升了響應速度和能效。

在第二階段，團隊聚焦于界面滑移問題。他們最初的想法是在加熱面做涂層，但實驗發(fā)現(xiàn)這會引入額外熱阻，就像在鐵鍋上蓋了一層塑料膜，雖然防粘，卻嚴重阻礙傳熱。

李梓瑞博士告訴 DeepTech，得益于課題組的交叉背景，他們團隊借鑒了氣液相變研究中的界面修飾思路，決定把表面改性從加熱面轉(zhuǎn)移到側(cè)壁。側(cè)壁本身不參與主要傳熱，但若能讓材料在此處更易滑落，就能間接促進其向加熱面的運動，形成“緊密接觸”狀態(tài)。

2022 年，在與寧波大學葉羽敏教授團隊合作后，他們接觸到一種類液超滑涂層。這種復合涂層采用等離子體增強化學氣相沉積技術制備，厚度約 200 納米，表面粗糙度僅 0.67 納米，展現(xiàn)了優(yōu)異的液體表面滑移性能。

團隊隨即將這種涂層應用在熱池內(nèi)壁，結合預熱層，最終形成了短時觸發(fā)加超滑界面引導的協(xié)同機制。

在實際應用中，脈沖預熱僅需占總儲熱容量的 0.4%，就能在容器內(nèi)壁與相變材料之間形成約 40 微米的液膜，使材料脫離冷壁并在重力作用下滑向加熱面。超滑涂層則進一步降低滑動阻力，確保材料能夠持續(xù)緊密接觸加熱表面，如此短的傳熱路徑極大提升了溫度梯度，從而顯著增強熱流密度。

圖 | 團隊利用邊界滑移強化接觸熔化過程（來源：論文）

實驗結果令人振奮：團隊在高度約 20 cm 的原型機中實現(xiàn)了 1.1 MW／m3（兆瓦每立方米）的功率密度，這在相變儲熱領域可以說前所未有。更重要的是，新方法實現(xiàn)的高功率并非瞬時峰值，而是可在儲存 27 kWh/m3 能量密度同時穩(wěn)定維持的平均功率。團隊在實際熱池中進行了 50 次完整充放熱循環(huán)測試，功率密度始終保持在峰值的 97% 以上，衰減不到 3%，展現(xiàn)了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。

在耐久性方面，團隊使用熔點達到 118 ℃的赤蘚糖醇作為相變材料，相變儲熱裝置在 150 ℃下完成 50 次充放熱循環(huán)后，快充性能保持穩(wěn)定。針對涂層的加速老化測試顯示，在 250 ℃環(huán)境下持續(xù)加熱 10 天，表面滑移性能僅有輕微衰減，并且涂層的熱分解溫度高達 360 ℃，完全滿足中低溫儲熱場景的長期運行需求。

范利武教授最后還提及了相變儲熱長期以來面臨的規(guī)模瓶頸：雖然儲熱密度高，但一旦放大體積，充放熱速率就急劇下降。一個大型儲熱罐可能需要數(shù)小時甚至 1 天才能充滿，用戶無法接受。相比之下，顯熱儲熱雖然能量密度低，但結構簡單、成本極低，因此在工業(yè)中更常見。團隊的技術突破點在于，在保持高儲熱密度的同時實現(xiàn)高功率密度，即使做成大型儲熱系統(tǒng)也能在幾分鐘到十幾分鐘內(nèi)完成充熱過程，有望真正滿足工業(yè)節(jié)奏。

目前這項技術存在著廣泛的潛在應用場景，包括冶金、紡織、化工等行業(yè)中 100 到 200 ℃的中低溫余熱回收，太陽能光熱系統(tǒng)的晝夜儲能，建筑能源系統(tǒng)的區(qū)域供熱和空調(diào)蓄冷，以及電動交通的熱管理等。目前團隊已與一些企業(yè)展開初步探討，推動中試規(guī)模驗證。從實驗室到工業(yè)應用，仍需解決長期可靠性、成本控制、系統(tǒng)集成等問題，但技術原理已打通。如果后續(xù)工程化順利，3 到 5 年內(nèi)有望在特定場景實現(xiàn)示范應用。

關于規(guī)?；魬?zhàn)，范利武教授向 DeepTech 坦言，雖然從 20 cm 到米級仍有工程細節(jié)需要打磨，但團隊整體的核心技術路徑是清晰的，因此對于工程化前景有相當?shù)男判摹?/p>

未來，團隊將重點關注幾個方向。首先是相變材料本身的長期循環(huán)壽命性，很多高潛熱材料如糖醇在多次循環(huán)后會發(fā)生熱分解，性能迅速退化。團隊已通過材料改性將糖醇的循環(huán)壽命提升到 1,000 次以上，高溫運行時間超過 10,000 小時。

其次是不同溫區(qū)的適配性，高溫領域的熔鹽或金屬材料對涂層耐溫性、容器熱應力等提出新的挑戰(zhàn)。第三是與真實應用場景深度耦合，比如寒冷地區(qū)的太陽能跨季節(jié)儲熱等極端環(huán)境下的應用，才能真正檢驗技術的邊界。

1.https://www.nature.com/articles/s41586-025-09877-0

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