近日， 上海交大製冷與低溫工程研究所王如竹教授和李廷賢副教授等組成的能源-空氣-水ITEWA創新團隊（Innovative Team for Energy, Water & Air）與材料學院鄧濤教授和密西根學院鮑華教授等跨學科合作，在材料領域頂級期刊Advanced Materials上發表了題目為“High-Performance Thermally Conductive Phase Change Composites by Large-Size Oriented Graphite Sheets for Scalable Thermal Energy Harvesting”的研究論文，提出了通過構建大尺寸石墨納米片合成高導熱複合相變材料的熱設計新思路。研究團隊通過巧妙的材料設計採用低成本、高產量的膨脹石墨作為導熱強化添加劑，獲得了比高成本石墨烯更優越的導熱強化效果，該方法有望加快相變材料在規模化儲熱及電子器件熱管理方面的商業應用。本文的第一作者是製冷所博士研究生仵斯和李廷賢副教授，通訊作者是李廷賢副教授、王如竹教授和鄧濤教授。
隨著能源緊缺問題日益緊張，儲能技術越來越受到重視。儲能技術可以實現能源供給與需求在時間、空間及強度上的匹配，提高能源利用效率。全球90%的能源預算圍繞熱的轉換、輸運和儲存，因此，熱能儲存技術在熱量調配和提高能源綜合利用效率方面具有非常重要的作用。基於相變材料的潛熱儲存具有儲熱密度高、放熱過程溫度近似恆定、結構簡單、成本低等優點。然而，相變材料的熱導率較低嚴重限制其充/放熱功率及熱響應速度，進而制約實際應用。現有複合相變材料合成方法主要採用二維碳材料（如石墨納米片、多層石墨烯及單層石墨烯）用作添加劑強化相變材料的熱導率，這些二維碳材料在微納米尺度時具有超高的本徵熱導率（>1500 W/mK）。然而將這些微納米尺度的高導熱添加劑與相變材料複合時，因接觸熱阻較大和導熱的各向異性導致複合材料的熱導率不理想，即使二維碳材料的含量高達50 wt%，想獲得熱導率高於10W/mK的複合相變材料仍然具有挑戰性。
本論文提出通過從天然石墨片直接構建大尺寸石墨納米片的方法合成高導熱複合相變材料的概念，其優點在於：（1）採用天然石墨片直接獲得大尺寸石墨納米片，低成本且易製備；（2）複合材料合成過程中（包括PCM顆粒粘附、融化吸附形成PCM塗層、壓力誘導石墨納米片定向組裝等）實現大尺寸導熱骨架重構。基於上述材料熱設計方法合成的複合相變材料，在添加劑含量低於40 wt% 時，複合材料熱導率可高達 35 W/mK。另外，獲得的複合相變材料同時具有較高的熱導率和熱效能，通過比較發現，熱導率比文獻中數據高出2~6倍。
在上述基礎上論文還對高性能複合相變材料的應用進行了研究，提出了複合相變材料高導熱方向與傳熱方向相互協調的熱管理器件製備方法，利用石墨片層作為高導熱碳翅片實現強化換熱，通過將複合相變材料與換熱管結合開發了1kWh高效儲熱器件和15kWh高效相變蓄熱系統。此外，將複合相變材料用於動力電池熱管理可對高倍率工作下的電池進行有效控溫，延長工作時間。
該研究工作得到了國家自然科學基金創新研究群體項目（51521004）和國家重點研發計劃項目（2018YFE0100300） 的資助。王如竹教授領銜的ITEWA團隊曾在Joule、iScience、Research上發表過論文，該團隊致力於解決能源、水、空氣交叉領域的前沿基礎性科學問題和關鍵技術，旨在通過學科交叉實現材料-器件-系統層面的整體解決方案，推動相關領域取得突破性進展。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201905099
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