这篇研究文章主要由来自北华北电力大学的Yunhan Liu团队，与中国科学院工程热物理研究所、清洁能源国家重点实验室等机构合作完成。研究团队的主要成员包括Yunhan Liu、Haisheng Chen（通讯作者）及其同事。本文发表于2024年第266期的《Solar Energy Materials & Solar Cells》，并于2024年1月9日在线可用。
在人类社会的高速发展以及全球人口快速增长的背景下，能源需求呈指数级增长。然而，化石燃料作为主要能源来源，不仅面临储量枯竭问题，还带来严重环境和健康威胁。因此，许多国家都制定了减少化石燃料使用并向可再生能源转型的战略。
太阳能因其资源充足、全球可用性强及获取方便，成为可再生能源中的重要形式。但太阳能的间歇性和不稳定性限制了其实际应用。通过热能储存系统（Thermal Energy Storage, TES），尤其是利用相变材料（Phase Change Materials, PCMs）进行储热，是解决这种问题的有效方法。在众多无机PCM材料中，三水醋酸钠（Sodium Acetate Trihydrate, SAT）以其相变温度约为58°C、高潜热、低毒性及安全性成为建筑空间供暖和热水系统的理想选择。
然而，SAT实际应用中依然面临显著挑战，例如高过冷现象、相分离问题以及低导热性（仅为0.4-0.7 W⸱m⁻¹⸱K⁻¹）。为了克服这些问题，研究者通常采用添加分散剂和增稠剂来防止相分离，以及通过加入纳米材料或膨胀石墨（Expanded Graphite, EG）来提升导热性和循环稳定性。
本文的研究聚焦于EG的微观颗粒尺寸（250 μm和425 μm）及不同添加比例（1%-6%）对SAT基复合相变材料（CPCMs）热性能和循环寿命的影响。这一探索呈现了一个全新的视角——“EG颗粒尺寸对PCM性能影响”的定量研究。
材料制备
实验特性测试
实验设置
实验表明，添加EG能够显著增强CPCM的导热性能。EG粒径越大（425 μm），其导热能力的提升更具优势，可能因为更大颗粒具备完整的内部结构，为热流导通提供了更长、更有效的路径。相比之下，小颗粒EG（250 μm）表现出较强的混合均匀性，但提升效果稍逊一筹。
粘度测试结果表明，添加更多EG会提高CPCM的粘度，且大颗粒EG的粘度贡献更大。这可能因为EG与CMC间的物理相互作用抑制了材料流动。
实验发现，随EG添加量增加，CPCM的潜热储存能力下降，这是因为EG会干扰结晶成核过程，降低材料的均匀性。此外，小颗粒EG具有更大表面接触面积，从而在低EG比例条件下能更好地均匀分布。
530次热循环实验显示，EG显著提高CPCM循环稳定性。以250 μm EG为例，在3 wt%的EG比例下，CPCM达到512次有效热循环，其结晶温度整体高于45°C，表明过冷程度较低，热循环表现优越。而425 μm EG的效果略弱于小颗粒EG。
在经过530次循环后，CPCM的粘度变化与EG颗粒尺寸及比例正相关。当EG比例较高时，材料表现出增稠和结构稳定性增强的现象，这可能归因于EG的促稳作用。实验还揭示，425 μm EG在减少潜热分布差异方面比250 μm更优。
这项研究对如何优化SAT基复合相变材料在建筑供暖、生活热水及其他TES系统应用中的性能提供了有力支持。具体来说： 1. 总表现说明小颗粒EG（250 μm）在热循环稳定性和抗失效方面更具潜力； 2. 大颗粒EG（425 μm）则在提升导热率与潜热均匀性中占据优势。
通过选择适当比例和合适尺寸的EG，未来可以开发更加高效、安全及可持续热能储存材料，从而推动低碳建筑技术的应用与发展，为全球能源结构转型贡献助力。
如何在实际应用中进一步降低过冷现象及提升SAT系统性能将是未来研究的重要方向。