管控電池起火，儲熱技術是一條路

以下是張正國教授的演講實錄：

張正國：尊敬的各位領導，各位朋友，大家上午好！很高興有機會來美的公司進行交流并報告我們團隊在熱能儲存領域做的相關工作。其實我來美的次數(shù)很多，很多時候作為專家來參加你們的項目驗收評審，也有跟不同的部門進行技術方面的交流。

我今天匯報的題目是儲熱技術的研究及應用，包括下面幾個內容，簡單介紹一下儲熱技術，重點介紹相變材料的制備，還有在儲能領域的應用。

儲能技術的背景像剛才李主任講的國家雙碳目標，2030年要達到碳排放的峰值到2060年要實現(xiàn)碳中和，要實現(xiàn)雙碳目標，核心技術要素是既要大幅度提高化石能源的利用效率，又要大規(guī)模的開發(fā)和利用可再生能源。

儲能技術就是實現(xiàn)雙碳目標比較重要的技術，如果按照儲能技術的分類，包括電能儲存，也包括熱能儲存，還包括氫能儲存，所以電、熱、氫都是要發(fā)展的儲能技術。我們團隊更多聚焦在熱能儲存的相關研究。這里可以看到目前在儲能領域，抽水儲能占儲能的絕大比例，化學儲能、熱儲能和飛輪儲能等等各種各樣的儲能技術發(fā)展非?？?。

在面對儲熱技術的應用時，我們團隊聚焦在如下幾方面，如電池的熱管理、熱泵空調系統(tǒng)和建筑節(jié)能等：

關于化學儲能的安全性問題，我們知道電池對溫度非常的敏感，著火、燃燒、爆炸等安全問題會制約電池的應用，必須采用熱管理技術，而儲熱技術可以與電池熱管理系統(tǒng)相結合。

從熱能的利用來看，整個社會來講50%以上的能源方式都是以熱能方式進行消耗，而我們國家熱能的利用效率水平還有待進一步提高，所以我們國家出臺一系列支持儲能技術應用的行動方案。這是從2016年到2022年我國出臺大力鼓勵儲能技術應用的政策，包含了儲熱技術的應用。

儲熱技術，簡單來講就是一項熱能的儲存技術，像我們的加熱水的過程就能把熱能儲存起來。儲熱技術的核心就是用來實現(xiàn)熱能儲存的材料。儲熱技術主要包括三大類：

第一類是通過顯熱的方式進儲熱，比如通過把固體、液體、氣體的溫度升高，可以把熱量儲存起來，儲熱密度的大小取決于材料本身（質量、比熱容），以及儲熱過程中的溫差。目前比較廣泛應用的是熔融鹽高溫儲熱，可以把溶融鹽從200多度升到500-600度，利用大的溫差對熱能的儲存是比較有利的。

第二類是利用潛熱進行儲熱，即通過材料的相變過程進行熱能儲存。一個簡單的例子是水結成冰，冰融化成水。相變過程有兩個典型的特征。第一，相變溫度相對比較穩(wěn)定。第二，有比較高的相變潛熱值?；谶@樣的特點可以實現(xiàn)熱能的儲存和釋放，同時還可以對發(fā)熱器件進行溫度的調控。

第三類是可以通過化學反應的方式進行儲熱。比如說，正反應如果是吸熱，那么它的可逆反應就是放熱，化學反應這種儲熱方式的最大特點是什么？具有非常非常高的儲熱密度，無論是比潛熱還是顯熱都高得多，但缺點是化學反應過程相對難以控制，因為涉及到壓力或者體積的變化，還有一些系統(tǒng)性問題需解決，目前應用比較少，更多還停留在學術研究方面。

總體來講，對比顯熱、潛熱和化學反應儲熱，潛熱儲熱技術相對比較折中，既有比較好的過程可控性，同時也有相對比較高的儲熱密度，所以在目前研究的領域和應用場景上，還是比較多的。

這里重點介紹一下在相變儲熱領域的一些相關研究，首先從材料制備層面上講，相變材料有很多種類，可以采用有機物類，比如烷烴；還有無機類的，包括水合鹽、無機鹽及金屬類；還有一些共晶物，可以通過有機、有機和有機、無機等等材料進行雜化。每種材料都有自己獨特的優(yōu)點和缺點，相變材料覆蓋的溫度范圍非常寬，可以從零下接近負100度，到零上接近1000度，都能夠找到對應的一些材料作為熱能的儲存材料來應用，滿足不同領域的應用需求，比如低溫儲冷用于冷鏈運輸；高溫儲熱用于太陽能熱利用和工業(yè)放熱余熱回收等等領域。

有機物和無機物材料的特點不一樣，有機物通常沒有過冷，化學性質相對比較穩(wěn)定，也沒有腐蝕性；最大的缺點就是對比無機物，它的成本相對比較高，導熱系數(shù)特別低；無機物成本比較低，潛熱值也相對比較高。當然它也有很多的缺點，腐蝕性、性能不穩(wěn)定等等，都需要我們進行改進。

在實際應用過程中，相變材料需滿足如下特征。

第一，過冷度很低，或者最好沒有過冷，同時有比較高的潛熱值，而且它的性能要很穩(wěn)定，有比較高的比熱容，導熱性能可根據我們的需求進行調控，有的應用場景需要它高的導熱系數(shù)，有的場景則需要導熱系數(shù)比較低，這需與其它材料進行復合進行調控。通過對材料進行復合，可以解決普通相變材料在應用中出現(xiàn)的問題，首先，比如說固液相變材料存在液體的流動性，這會帶來封裝的問題，應用時要防止它泄漏；

第二是導熱性能的調控問題，很多時候需要比較高的導熱系數(shù)，可以采用高導熱的介質作為它的支撐材料，制備一種多孔基體作為載體的復合相變材料。要抑制液體的流動性，我們也可以制備膠囊封裝的材料，把相變材料封在膠囊體里面，我們還可以將相變材料與聚合物復合在一起。總之，多孔介質封裝、膠囊封裝以及聚合物封裝都是目前從材料制備的角度上比較常見的復合技術。

對于高導熱的相變材料，可以使用碳材料作為載體與相變材料進行復合，碳材料有比較好的導熱性能和可靠性，跟相變材料復合在一起制備出具有高導熱的復合相變材料。碳材料有多孔結構，作為載體可以發(fā)揮表面張力和毛細作用率的相互作用，能抑制液體的動性，因此復合相變材料能夠保持定型的特征，在相變過程中宏觀上保持固體的形狀，同時碳材料高的導熱系數(shù)可以顯著的提升復合相變材料的導熱性能，最高導熱系數(shù)可以提高二百倍以上，比如有機物的導熱系數(shù)只有0.3W/m.K左右，通過復合壓縮定型之后，導熱系數(shù)能接近60W/m.K，得到數(shù)量級的提高。

對于膠囊狀的相變材料，我們既可以制備聚合物殼的膠囊，也可以制備成無機物殼的膠囊，它的外殼材料是可以選擇的，膠囊的粒徑也可以進行調控，可以制成微米級的膠囊，也可以制成納米級的膠囊，而且它的膠囊外殼還可以進行改性，膠囊狀相變材料也可以作為功能產品在溫控領域中應用。

聚合物基復合相變材料，能實現(xiàn)相變材料的柔性特征，既可以解決相變過程中液體的流動性，同時也可以作為一種溫控結構材料，直接貼附在一些發(fā)熱器件表面實現(xiàn)對溫度的控制，后面我也會簡單介紹一下。這就是我們目前在儲熱領域中應用或者是研究比較多的三類材料。

從儲熱材料的應用層面上來講：

第一，在電池熱管理領域應用。我國大力發(fā)展的新能源汽車，以及可再生能源發(fā)電的配套裝置儲能電站，都離不開鋰離子電池的應用，電池在儲能系統(tǒng)中起著非常關鍵的作用。

但是電池本身有很明顯的溫度敏感性，溫度如果太低，它的電荷轉移電阻就很大，隔膜里面離子的滲過率減小，離子導電率會下降。新能源汽車在東北比較受限，主要是電池的低溫性能很差。而在高溫的時候，電池的電極副反應會加劇，導致電池的老化，減少使用壽命，溫度進一步升高，導致電池的著火和爆炸。在一個電池模組里面，需要電池與電池之間的溫差一致性非常好，最好小于5度。因此，因此，電池的高效熱管理非常重要。

目前，無論是車載還是儲能電站，在電池熱管理領域的主要技術包括空氣冷卻，液體冷卻，熱管導熱。我們團隊做得比較多的工作是采用相變儲熱的方式進行電池的熱量管理。

在相對短的時間內，采用相變材料。

對電池進行熱管理，電池的最高溫度會小于50度，電池間的溫差會小于3度，這對電池的應用來講是一個很好的效果。但是傳統(tǒng)的相變材料因為要確保高導熱系數(shù)，使用碳材料復合，這種材料有一定的脆性，跟電池的貼合不是很好，帶來較大的接觸熱阻，所以我們要開發(fā)具有柔性的，能夠跟電池貼合度比較好的，同時有比較高導熱系數(shù)的材料。這樣的材料在很多使用電池的家用電器和電子產品上都有需求，能夠延長使用時間。

第二，在電池長時間連續(xù)產熱的場景中，比如在儲能電站或車載系統(tǒng)中，要控溫就要有很大的相變材料用量，僅用相變材料來控溫是不現(xiàn)實的。因此，在實際應用過程中相變儲熱必須跟液冷、風冷等主動散熱形式相結合，我們團隊也開發(fā)一種潛熱型熱流體，它是一種相變乳液，可以替代水。它的優(yōu)勢是具有較高的比熱容，是水的2-3倍，所以在單位的控熱時長下，可以減少流體的用量，或是降低電池模組之間的溫差，特別是在大倍率放電條件下，控溫效果非常好。

第三，除了對電池進行控溫外，我們還非常擔心電池的著火和燃燒。目前比較主流抑制電池熱失控的方式是使用低導熱系數(shù)的氣凝膠作為隔熱材料，目的是在某一個電池熱失控的時候，希望通過低的導熱系數(shù)形成隔熱層來阻止熱量其向周圍電池擴散，從應用效果來看，還很難實現(xiàn)完全抑制電池熱失控風險。前不久有報道說，我國每天至少有8臺新能源車發(fā)生著火事故。

鋰電池大于120度時會觸發(fā)熱失控的風險。我們想，“堵”的方法不是最好的，能否開發(fā)一種在120度附近吸熱速度比較快、且可以吸收很大熱量的材料？為此，我們開發(fā)了一種具有儲熱功能的材料，放在電池模組里面進行控溫，最近我們完成了一些電池模組的測試，證明它的抑制電池熱失控的效果非常顯著。

我們也研發(fā)了儲能電站的溫控產品，去年已經應用在近1000套儲能電站的集裝箱中。普通的儲能電站控溫模式是通過制冷機組產生低溫水對電池模組進行控溫，我們在制冷機組和儲能電站之間，增加了一個儲冷裝置，有什么好處呢？普通的儲能電站，配備的機組要滿足它最大的峰值熱負荷，而儲能電站溫控過程不是連續(xù)的。我們可以通過儲冷技術進行熱管過程的調節(jié)，這樣一來給用戶帶來很多的好處：

1. 大大的減少制冷機組設備的投入。

2. 保障整個過程的可控性和運行的平穩(wěn)性。

通過這種方式，大約可以提高1%的發(fā)電效率，減少運營成本。

儲熱技術除了應用于電池熱管理外，還有一方向是在熱泵系統(tǒng)中應用。在碳達峰和碳中和的背景下，第一是將熱泵系統(tǒng)跟太陽能結合在一起構建多能互補的供熱系統(tǒng)；第二是在峰谷電價差背景下降低運行成本，可以利用低價電來制熱、儲熱，高價電時再來放熱。這個過程的核心就是儲熱系統(tǒng)，它既涉及到儲熱材料，也涉及到儲熱器。

為了兼顧傳熱性能和儲熱密度，我們在儲熱器方面做了一些研究工作。第一，開發(fā)高性能的儲熱材料；第二，設計一種高效的儲熱器結構。思路是用高導熱材料和相對比較緊湊的儲熱器結構，最終能夠開發(fā)一種高儲熱密度，高換熱效率的儲熱器產品。

這個是我們跟美的合作研發(fā)的樣品，儲熱密度為33MJ，用10度的水進行放熱，放熱有30MJ，這個方面還要進一步優(yōu)化。我們以前也跟國內一家制冷企業(yè)開發(fā)了基于儲熱技術實現(xiàn)不停機化霜的熱泵系統(tǒng)，比Panasonic他們報道產品還早。熱泵在冬季運行的時候，可以通過儲熱技術實現(xiàn)不停機的化霜。

此外，我們也跟美的公司合作開發(fā)飲水機，通過儲熱換熱器快速將100度左右的開水降到45度或55度左右，目前取得較好的研究進展。儲熱技術還在其它領域實施應用，比如儲熱式建筑材料、人體熱管理、電子器件控溫等。

最后總結一下，儲熱技術是實施碳達峰、碳中和進的重要技術，高性能的儲熱材料以及高效儲熱器的開發(fā)是核心，后續(xù)需持續(xù)推進其在熱泵空調、熱管理、太陽能利用、建筑節(jié)能等等領域的應用。非常感謝，請批評指正，謝謝！