可再生能源应用中的三模态热能存储材料

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热能存储 可再生能源 三模态材料 硼酸 相变材料

三模态热能存储材料在可再生能源应用中的突破性研究

学术背景

随着全球对化石燃料依赖的减少，可再生能源的广泛应用成为未来能源发展的关键。然而，可再生能源的间歇性和不稳定性使得高效、低成本且可持续的能源存储技术成为迫切需求。热能存储材料（Thermal Energy Storage Materials, TESMs）与卡诺电池（Carnot Battery）的结合被认为能够彻底改变能源存储领域。然而，目前缺乏稳定、低成本且能量密度高的热能存储材料，阻碍了这一技术的进一步发展。

热能存储材料主要通过三种模式存储能量：显热存储（Sensible Heat Storage）、潜热存储（Latent Heat Storage）和热化学存储（Thermochemical Storage）。显热存储依赖于材料的热容，潜热存储通过相变材料（Phase Change Material, PCM）的相变过程存储能量，而热化学存储则通过可逆化学反应或吸附过程存储能量。近年来，将这三种模式结合在一个系统中的概念逐渐受到关注，因为它能够释放出极高的热能存储容量。

论文来源

本论文由Saliha Saher、Sam Johnston、Ratu Esther-Kelvin、Jennifer M. Pringle、Douglas R. MacFarlane和Karolina Matuszek共同撰写，作者分别来自澳大利亚莫纳什大学（Monash University）和迪肯大学（Deakin University）。论文于2024年12月19日至26日发表在《Nature》期刊上，题为《Trimodal Thermal Energy Storage Material for Renewable Energy Applications》。

研究流程与结果

研究流程

  1. 材料筛选与制备
    研究团队首先筛选了一系列硼酸（Boric Acid）与不同有机酸的二元混合物，最终选择了硼酸与琥珀酸（Succinic Acid）的共晶混合物作为研究对象。该混合物通过研磨法制备，确保其均匀性。

  2. 热性能测试
    使用差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry, DSC）对材料的热性能进行了详细测试。DSC测试显示，硼酸与琥珀酸的共晶混合物在148°C时发生相变，并伴随着高达380 J/g的可逆热能吸收。

  3. 拉曼光谱分析
    通过拉曼光谱（Raman Spectroscopy）分析，研究团队确认了在相变过程中，硼酸脱水生成偏硼酸（Metaboric Acid）的化学反应。拉曼光谱显示，液态混合物中存在偏硼酸的特征峰，表明化学反应与相变过程同时发生。

  4. 长期稳定性测试
    为了验证材料的长期稳定性，研究团队对共晶混合物进行了1000次加热-冷却循环测试。结果显示，材料在循环过程中保持了稳定的热性能，未发生明显的化学变化。

  5. 成本与可持续性分析
    研究团队还对材料的成本和可持续性进行了评估。硼酸和琥珀酸均为低成本、环境友好的材料，且制备过程无需溶剂，易于大规模生产。

主要结果

  1. 高热能吸收与释放
    硼酸与琥珀酸的共晶混合物在148°C时表现出高达380 J/g的热能吸收，且在冷却过程中能够完全释放这些能量。考虑到实际应用中的显热存储，总热能存储量可达394 J/g。

  2. 化学反应与相变的协同作用
    研究首次揭示了硼酸在相变过程中同时发生脱水反应，生成偏硼酸和水。液态混合物中的水能够迅速参与偏硼酸的再水合反应，使得整个过程具有高度的可逆性。

  3. 长期稳定性
    经过1000次加热-冷却循环后，材料的热性能未发生显著变化，表明其具有极高的长期稳定性。

  4. 低成本与可持续性
    硼酸和琥珀酸均为低成本材料，且制备过程无需溶剂，易于大规模生产。材料的全球变暖潜力（Global Warming Potential, GWP）较低，且可通过使用可再生能源进一步降低环境影响。

结论与意义

本研究首次报道了一种“三模态”热能存储材料，该材料通过整合显热、潜热和热化学三种存储模式，实现了极高的热能存储容量。硼酸与琥珀酸的共晶混合物在148°C时表现出高达394 J/g的热能存储能力，且具有高度的可逆性和长期稳定性。这一材料的开发为可再生能源存储提供了新的解决方案，具有广泛的应用前景。

研究亮点

  1. 高热能存储容量
    材料在148°C时表现出高达394 J/g的热能存储能力，远超现有的相变材料。

  2. 化学反应与相变的协同作用
    研究首次揭示了硼酸在相变过程中同时发生脱水反应，并通过液态混合物中的水实现快速再水合，解决了热化学存储材料可逆性差的问题。

  3. 长期稳定性
    材料在1000次加热-冷却循环后仍保持稳定的热性能，表明其具有极高的长期稳定性。

  4. 低成本与可持续性
    材料由低成本、环境友好的硼酸和琥珀酸组成，制备过程无需溶剂，易于大规模生产。

其他有价值的信息

研究团队还通过核磁共振（NMR）和粉末X射线衍射（PXRD）分析，进一步验证了材料在加热-冷却循环过程中未发生不可逆的化学变化。此外，研究团队还开发了一种无溶剂的制备方法，使得材料的生产过程更加环保和可持续。 本研究为可再生能源存储领域提供了一种高效、低成本且可持续的热能存储材料，具有重要的科学价值和应用前景。