科研
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电池，是当代生活最离不开的设备之一，那你是否听说过“热池”？热和电都是重要的能量形式，都能被存储和释放。古人用冰窖存冰夏季取用、电热水器的储水箱等都是最朴素的“热池”。
“热池”可以细分为许多种类。其中，“相变热池”利用石蜡、水合盐、糖醇等材料在固态和液态两种状态转换时吸收或释放的“相变潜热”来存储热量。但储存能量多和充放热速度快这一对矛盾始终阻碍着“相变热池”的性能提升。
近期，浙江大学能源工程学院研究员范利武团队与其合作者提出全新的“滑移强化接触熔化”机制，用“全固态复合表面”给相变热池内壁做了个“滑溜溜的改造”，为打破这一难题提供了新的思路。相关工作以《Pulse heating and slip enhance charging of phase-change thermal batteries》为题，于北京时间1月8日发表在《Nature》上。范利武，宁波大学教授叶羽敏及普林斯顿大学博士后胡楠为论文共同通讯作者，浙江大学博士生李梓瑞为第一作者。
储热材料“自滑动、快传热”
“石蜡、水合盐、糖醇在相变时储热密度很高，很小一块就能‘装’下很多热量，但这类储热天赋高的材料导热能力往往很差，充热速度很慢。”范利武介绍，传统提升热池充热速度的方法，要么是往相变材料里掺高导热填料，虽然导热快了，但挤占了存储空间，导致储热能量密度下降；要么靠压力、磁力等外力帮忙，既费电又复杂，系统难以循环运行导致无法大规模应用。
团队另辟蹊径，瞄准了“接触式传热”这个关键。他们给热池内壁做了层超滑处理，让固态的相变材料不粘壁，靠自身重力一直紧贴底部热源，近距离接受不断传来的热量，使“热池”全程保持高传热速率。该方法不依赖特殊的相变材料，只通过优化相变热池内壁环境实现高效传热。
基于边界滑移强化的快充相变热池设计
这一核心思路最终落地为“全固态复合表面”，其由能脉冲加热的薄膜（预热层）与覆盖在薄膜表面的“类液涂层”（滑移界面）组成。加热薄膜通过产生微小热量，使紧贴热池内壁的相变材料形成一层约40微米厚的超薄液膜——这个厚度比一根头发丝还细，却能让固体相变材料瞬间脱离壁面，在壁面上“滑动”；而粗糙度只有不到1纳米的类液涂层，能让液体相变材料在表面形成45-90微米的“滑移长度”，大幅减少滑动时的摩擦阻力。
液体相变材料在类液表面与原始表面上的滑动性能对比
“就像在锅底涂了一层超顺滑的特殊涂层，再用小火快速预热锅底，把一块黄油放上去不仅不粘锅，还能自己滑动着快速熔化。”范利武介绍，除此以外相变材料会在自身重力作用下持续下沉，把熔化产生的液膜压得更薄，全程紧贴加热表面高效传热。
跨界合作促成“快充”创意
该技术最核心的优势，是实现了“快充”与“高储”的双赢。
在测试“快充”效果时，若使用普通有机相变材料，热池的功率密度达到850 kW/m3（代表充热速度），能量密度保持31 kWh/m3（代表储热能力）；如果与导热增强的复合相变材料结合，功率密度更是飙升至1100 kW/m3，能量密度仍有27 kWh/m3，没有因追求速度而牺牲储热量。
这项成果从能源（工程热物理）学科最基础原理出发，集结了校内外多学科交叉优势。宁波大学叶羽敏团队的超滑涂层技术、普林斯顿大学胡楠所在团队的微流体建模技术带来关键支撑，形成了强大的科研合力。
范利武团队
“复合表面上的‘类液涂层’就是结合了主要合作者、材料学院校友叶羽敏团队的一项研究成果，我们在一次数小时的长谈中促成了这个创意的落地。胡楠也是我自己培养的博士。”范利武介绍，两位合作研究者都有着在浙江大学学习科研的经历，大家贡献了在各自研究领域的前沿积累，推动合作研究落地见效。
在工业应用层面，该项技术有着巨大潜力。“它可以基于现有储热装备直接改造，并且可以适配多种类、多温区的相变材料，可扩展性强。”李梓瑞介绍，该技术可广泛应用于工业余热回收、太阳能热利用、电力电子热控等领域，能够助力企业节能减碳的同时降低能耗成本，催生绿色生产力。
长期主义培养创新型人才
日常的教学科研中，范利武总是鼓励学生们刨根问底，去探索机制背后的理论根源。
在“滑移”这一创意萌发后，他便鼓励团队建立了考虑侧壁拖曳力的理论模型，通过固液拖曳力测试、滑动性能测试等多种实验反复验证后，他们惊喜地发现当滑移长度与侧壁微液膜厚度处于同一量级时，就可以在熔化过程中显著减小对剩余固体相的拖曳作用，进而能有效触发快速熔化。又经过大量的实验与推导，团队最终“闭环”了研究，在较大规模的密封式相变热池测试装置中展现了良好的“快充”性能。
利用边界滑移强化接触熔化过程
作为论文唯一第一作者，李梓瑞本科阶段就加入了范利武团队。在导师的指导下，他先积累了一定的科研基础，再心无旁骛地全力冲刺具有挑战性的原创难题。“这几年的攻坚中，我们都不确定最后能产生怎么样的成果，但是团队的信任与默契帮助我沉下心攻关难题，投入到科学研究的‘持久战’中。”李梓瑞说。
这种长期主义的积累，培养出了兼具扎实功底、创新思维和灵活应变的研究人才，使“会读书的人”真正成为了“会创造的人”。
未来，团队还计划进一步放大热池规模，深入解析其中的相变传热机理，并解决材料耐久性、循环性等关键工程问题。相关延伸研究已实现有机相变材料上万小时稳定运行，具备了规模化工业应用的潜力。“我们乐见该项技术为全球能源可持续发展注入新动能，向世界展示中国在热储能领域的科研实力，并为能源领域的基础突破提供信心。”范利武介绍。
（文 周天宇 查蒙/图 哲映 部分来源于课题组）
本文链接：http://knowith.com/news-3-4870.html开年首篇《自然》！浙大团队研制出可快充“热池”
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