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電池，是當(dāng)代生活最離不開(kāi)的設(shè)備之一，那你是否聽(tīng)說(shuō)過(guò)“熱池”？熱和電都是重要的能量形式，都能被存儲(chǔ)和釋放。古人用冰窖存冰夏季取用、電熱水器的儲(chǔ)水箱等都是最樸素的“熱池”?！盁岢亍笨梢约?xì)分為許多種類。其中，“相變熱池”利用石蠟、水合鹽、糖醇等材料在固態(tài)和液態(tài)兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)吸收或釋放的“相變潛熱”來(lái)存儲(chǔ)熱量。但儲(chǔ)存能量多和充放熱速度快這一對(duì)矛盾始終阻礙著“相變熱池”的性能提升。

近期，浙江大學(xué)能源工程學(xué)院研究員范利武團(tuán)隊(duì)與其合作者提出全新的“滑移強(qiáng)化接觸熔化”機(jī)制，用“全固態(tài)復(fù)合表面”給相變熱池內(nèi)壁做了個(gè)“滑溜溜的改造”，為打破這一難題提供了新的思路。相關(guān)工作于北京時(shí)間1月8日發(fā)表在《自然》上。

“石蠟、水合鹽、糖醇在相變時(shí)儲(chǔ)熱密度很高，很小一塊就能‘裝’下很多熱量，但這類儲(chǔ)熱天賦高的材料導(dǎo)熱能力往往很差，充熱速度很慢?！狈独浣榻B，傳統(tǒng)提升熱池充熱速度的方法，要么是往相變材料里摻高導(dǎo)熱填料，雖然導(dǎo)熱快了，但擠占了存儲(chǔ)空間，導(dǎo)致儲(chǔ)熱能量密度下降；要么靠壓力、磁力等外力幫忙，既費(fèi)電又復(fù)雜，系統(tǒng)難以循環(huán)運(yùn)行導(dǎo)致無(wú)法大規(guī)模應(yīng)用。

團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，瞄準(zhǔn)了“接觸式傳熱”這個(gè)關(guān)鍵。他們給熱池內(nèi)壁做了層超滑處理，讓固態(tài)的相變材料不粘壁，靠自身重力一直緊貼底部熱源，近距離接受不斷傳來(lái)的熱量，使“熱池”全程保持高傳熱速率。該方法不依賴特殊的相變材料，只通過(guò)優(yōu)化相變熱池內(nèi)壁環(huán)境實(shí)現(xiàn)高效傳熱。

這一核心思路最終落地為“全固態(tài)復(fù)合表面”，其由能脈沖加熱的薄膜（預(yù)熱層）與覆蓋在薄膜表面的“類液涂層”（滑移界面）組成。加熱薄膜通過(guò)產(chǎn)生微小熱量，使緊貼熱池內(nèi)壁的相變材料形成一層約40微米厚的超薄液膜——這個(gè)厚度比一根頭發(fā)絲還細(xì)，卻能讓固體相變材料瞬間脫離壁面，在壁面上“滑動(dòng)”；而粗糙度只有不到1納米的類液涂層，能讓液體相變材料在表面形成45—90微米的“滑移長(zhǎng)度”，大幅減少滑動(dòng)時(shí)的摩擦阻力。

“就像在鍋底涂了一層超順滑的特殊涂層，再用小火快速預(yù)熱鍋底，把一塊黃油放上去不僅不粘鍋，還能自己滑動(dòng)著快速熔化。”范利武介紹，除此以外相變材料會(huì)在自身重力作用下持續(xù)下沉，把熔化產(chǎn)生的液膜壓得更薄，全程緊貼加熱表面高效傳熱。

“該技術(shù)最核心的優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)了‘快充’與‘高儲(chǔ)’的雙贏?！狈独湔f(shuō)。

在測(cè)試“快充”效果時(shí)，若使用普通有機(jī)相變材料，熱池的功率密度達(dá)到850kW/m3（代表充熱速度），能量密度保持31kWh/m3（代表儲(chǔ)熱能力）。如果與導(dǎo)熱增強(qiáng)的復(fù)合相變材料結(jié)合，功率密度升至1100kW/m3，能量密度仍有27kWh/m3，沒(méi)有因追求速度而犧牲儲(chǔ)熱量。

在工業(yè)應(yīng)用層面，該項(xiàng)技術(shù)有著巨大潛力?！八梢曰诂F(xiàn)有儲(chǔ)熱裝備直接改造，并且可以適配多種類、多溫區(qū)的相變材料，可擴(kuò)展性強(qiáng)?！闭撐牡谝蛔髡?、浙江大學(xué)博士生李梓瑞介紹，該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于工業(yè)余熱回收、太陽(yáng)能熱利用、電力電子熱控等領(lǐng)域，能夠助力企業(yè)在節(jié)能減碳的同時(shí)降低能耗成本，催生綠色生產(chǎn)力。

未來(lái)，團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃進(jìn)一步放大熱池規(guī)模，深入解析其中的相變傳熱機(jī)理，并解決材料耐久性、循環(huán)性等關(guān)鍵工程問(wèn)題。相關(guān)延伸研究已實(shí)現(xiàn)有機(jī)相變材料上萬(wàn)小時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行，具備了規(guī)模化工業(yè)應(yīng)用的潛力。