Nature Energy：动态相变材料，能量和功率密度提高2-3倍！

一、【导读】

目前，半导体器件和电动汽车需要高性能的热管理系统，而这些系统的故障可能会导致功能丧失和人员伤亡。使用移动流体的主动冷却系统可以提供大量冷却，但它们需要外部电源和控制。利用相变材料（phase change materials, PCMs）进行热管理是一种很有前途的冷却和能量存储解决方案，其中PCMs提供了存储或释放材料潜热的能力。开发PCMs的策略通常集中于提高具有相对较低热导率的材料，如冰（约1 W m^-1 K^-1）和石蜡（约0.1 W m^-1 K^-1）等。其中纯PCMs与金属或石墨散热器或泡沫的组合，改进了PCMs性能，实现了高达200 J cm^-3的能量密度和0.5 W cm^-3的功率密度。然而，PCM材料仍存在一个无法克服的根本性问题，即随着熔体前沿不断远离热源，传热迅速减少。高热阻对PCM热管理方法的最大可实现的时间相关功率密度提出了基本限制。此外，虽然过去的大多数研究都使用蓄热外壳或胶囊内的重力来降低液膜厚度，但是没有一个研究表明在极端热通量下具有稳健的温度控制。

二、【成果掠影】

近日，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校Nenad Miljkovic（通讯作者）等人报道了一种通过，并提高有效能量和功率密度的方法。其中，作者将这种方法中使用的材料称为动态相变材料（dynPCMs）。通过使用可扩展、均匀、成熟且经济高效的PCMs，作者展示了在高功率密度（约1 W cm^-3）下稳定的表面温度控制。此外，使用石蜡，作者证明了有效能量密度和功率密度分别为230 J cm^-3和0.8 W cm^-3，而使用镓（Ga），有效能量密度和功率密度分别为480 J cm^-3和1.6 W cm^-3。通过分析和有限元模型结合实验数据，作者证明了使用金属dynPCMs获得了接近3kW cm^-2的高热流的可能性。该方法通过在高热流密度和功率密度下提供简单、低成本、稳定和可扩展的策略，克服了传统PCM基热能存储技术带来的障碍。研究成果以题为“High power and energy density dynamic phase change materials using pressure-enhanced close contact melting”发布在国际著名期刊Nature Energy上。

本文所有图来源于© 2022 Springer Nature Limited。

三、【核心创新点】

√ 利用压力增强的紧密接触熔化对熔体前沿位置的空间控制的方法，构建了动态相变材料（dynPCMs）

√ 石蜡有效能量密度和功率密度分别为230 J cm^-3和0.8 W cm^-3，而使用镓（Ga）有效能量密度和功率密度分别为480 J cm^-3和1.6 W cm^-3

四、【数据概览】

图一、比较传统PCM和dynPCM
（a）传统PCM冷却期间的瞬态响应示意图；

（b）dynPCM冷却期间的瞬态响应的示意图；

（c）不同PCMs的传导热阻（R_th）作为与热源的熔体前沿距离的函数；

（d）在热通量为q”=1.15 W cm^-2下，比较传统PCM和dynPCM冷却的加热表面温度（T_s）的实验；

（e）传统PCM冷却与dynPCM冷却的模拟热通量结果

图二、热量实验
（a）在恒定热通量（q”=1.15 W cm^-2）下，不同样品的热源表面温度（T_s）随时间的变化；

（b）在不同热通量下，比较混合和dynPCM方法；

（c）在不同热通量和恒定施加P=6.4 kPa表压下，dynPCM的冷却；

（d）dynPCM在高温下冷却的循环实验；

（e）不同压力和热通量下，dynPCM的冷却行为；

（f）稳态温度（T_ss）和熔化速度（u）作为热通量的函数

图三、dynPCM性能的仿真和分析模型
（a）1D COMSOL相变模拟延时显示传统石蜡PCM在q”=0.22 W cm^-2处熔化；

（b）在恒定压力（6.4 kPa）下使用热通量作为输入计算的理论液体层厚度；

（c）dynPCM实验在P=6.4 kPa和q”=1.45 W cm^-2时的红外成像

图四、dynPCM的熔化和凝固循环
（a）熔化过程的示意图和延时照片；

（b）熔化过程的延时照片；

（c-d）重置过程的示意图和延时照片；

（e）在q”=1.45 W cm^-2和三个连续完整循环期间，在容器底部和石蜡之间的界面处实验测量的温度（T_s）；

（f）COMSOL模拟结果显示t_sol/t_melt比值是熔化热通量、容器形状等的函数

图五、不同dynPCMs的性能
（a）体积功率密度作为不同有效冷却时间下有效能量密度的函数；

（b）COMSOL模拟获得的最大适用热通量，用于半无限PCM熔化，作为有效冷却时间的函数

五、【成果启示】

综上所述，作者开发了一种使用压力增强紧密接触熔化在空间上控制纯PCMs熔体前沿位置的方法。与传统的静态方法相比，作者证明了石蜡和Ga的有效能量密度和功率密度被有效的提高。此外，它还可以在高热通量下实现稳定的表面温度，而无需添加高导热性添加剂。该方法广泛用于热管理和能量存储应用，并且易于以具有高效益的方式扩展，几乎没有技术障碍，这源于成熟和验证的方法，如润滑理论、熔体物理、驱动方法和低能耗。

文献链接：High power and energy density dynamic phase change materials using pressure-enhanced close contact melting. Nature Energy, 2022, DOI: 10.1038/s41560-022-00986-y.

本文由CQR编译。

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