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如今，双碳战略深刻地影响着各行各业的发展。“气候治理、碳中和已经成为全球最大公约数，碳中和已经从全球共识到了全球的行动。”在碳中和背景下，储热技术作为可持续能源利用和能源转换的重要组成部分，正日益受到广泛关注和研究。随着能源需求的不断增长和可再生能源比例的提高，储热技术成为了平衡能源供需关系、提高能源利用效率和应对电力系统波动性的关键解决方案。
10月16日，在佛山顺德召开的美的2023远见者大会上，国内知名储能专家、华南理工大学化学与化工学院张正国教授带来了《储热技术的研究及应用》的主题演讲。他表示，储热技术就是一项热能储存技术，其中最核心的就是材料来实现热能储存措施。“相变储热技术是实现碳达峰、碳中和的重要技术之一，其中高性能相变材料及高效储热器的开发是相变储热技术应用的核心。”他说，“未来将持续推进储热技术在太阳能热利用、热泵空调系统、建筑节能等领域的应用。”
以下是张正国教授的演讲实录：
张正国：尊敬的各位领导，各位朋友，大家上午好！很高兴有机会来美的公司进行交流并报告我们团队在热能储存领域做的相关工作。其实我来美的次数很多，很多时候作为专家来参加你们的项目验收评审，也有跟不同的部门进行技术方面的交流。
我今天汇报的题目是储热技术的研究及应用，包括下面几个内容，简单介绍一下储热技术，重点介绍相变材料的制备，还有在储能领域的应用。
储能技术的背景像刚才李主任讲的国家双碳目标，2030年要达到碳排放的峰值到2060年要实现碳中和，要实现双碳目标，核心技术要素是既要大幅度提高化石能源的利用效率，又要大规模的开发和利用可再生能源。
储能技术就是实现双碳目标比较重要的技术，如果按照储能技术的分类，包括电能储存，也包括热能储存，还包括氢能储存，所以电、热、氢都是要发展的储能技术。我们团队更多聚焦在热能储存的相关研究。这里可以看到目前在储能领域，抽水储能占储能的绝大比例，化学储能、热储能和飞轮储能等等各种各样的储能技术发展非常快。
在面对储热技术的应用时，我们团队聚焦在如下几方面，如电池的热管理、热泵空调系统和建筑节能等：
关于化学储能的安全性问题，我们知道电池对温度非常的敏感，着火、燃烧、爆炸等安全问题会制约电池的应用，必须采用热管理技术，而储热技术可以与电池热管理系统相结合。
从热能的利用来看，整个社会来讲50%以上的能源方式都是以热能方式进行消耗，而我们国家热能的利用效率水平还有待进一步提高，所以我们国家出台一系列支持储能技术应用的行动方案。这是从2016年到2022年我国出台大力鼓励储能技术应用的政策，包含了储热技术的应用。
储热技术，简单来讲就是一项热能的储存技术，像我们的加热水的过程就能把热能储存起来。储热技术的核心就是用来实现热能储存的材料。储热技术主要包括三大类：
第一类是通过显热的方式进储热，比如通过把固体、液体、气体的温度升高，可以把热量储存起来，储热密度的大小取决于材料本身（质量、比热容），以及储热过程中的温差。目前比较广泛应用的是熔融盐高温储热，可以把溶融盐从200多度升到500-600度，利用大的温差对热能的储存是比较有利的。
第二类是利用潜热进行储热，即通过材料的相变过程进行热能储存。一个简单的例子是水结成冰，冰融化成水。相变过程有两个典型的特征。第一，相变温度相对比较稳定。第二，有比较高的相变潜热值。基于这样的特点可以实现热能的储存和释放，同时还可以对发热器件进行温度的调控。
第三类是可以通过化学反应的方式进行储热。比如说，正反应如果是吸热，那么它的可逆反应就是放热，化学反应这种储热方式的最大特点是什么？具有非常非常高的储热密度，无论是比潜热还是显热都高得多，但缺点是化学反应过程相对难以控制，因为涉及到压力或者体积的变化，还有一些系统性问题需解决，目前应用比较少，更多还停留在学术研究方面。
总体来讲，对比显热、潜热和化学反应储热，潜热储热技术相对比较折中，既有比较好的过程可控性，同时也有相对比较高的储热密度，所以在目前研究的领域和应用场景上，还是比较多的。
这里重点介绍一下在相变储热领域的一些相关研究，首先从材料制备层面上讲，相变材料有很多种类，可以采用有机物类，比如烷烃；还有无机类的，包括水合盐、无机盐及金属类；还有一些共晶物，可以通过有机、有机和有机、无机等等材料进行杂化。每种材料都有自己独特的优点和缺点，相变材料覆盖的温度范围非常宽，可以从零下接近负100度，到零上接近1000度，都能够找到对应的一些材料作为热能的储存材料来应用，满足不同领域的应用需求，比如低温储冷用于冷链运输；高温储热用于太阳能热利用和工业放热余热回收等等领域。
有机物和无机物材料的特点不一样，有机物通常没有过冷，化学性质相对比较稳定，也没有腐蚀性；最大的缺点就是对比无机物，它的成本相对比较高，导热系数特别低；无机物成本比较低，潜热值也相对比较高。当然它也有很多的缺点，腐蚀性、性能不稳定等等，都需要我们进行改进。
在实际应用过程中，相变材料需满足如下特征。
第一，过冷度很低，或者最好没有过冷，同时有比较高的潜热值，而且它的性能要很稳定，有比较高的比热容，导热性能可根据我们的需求进行调控，有的应用场景需要它高的导热系数，有的场景则需要导热系数比较低，这需与其它材料进行复合进行调控。通过对材料进行复合，可以解决普通相变材料在应用中出现的问题，首先，比如说固液相变材料存在液体的流动性，这会带来封装的问题，应用时要防止它泄漏；
第二是导热性能的调控问题，很多时候需要比较高的导热系数，可以采用高导热的介质作为它的支撑材料，制备一种多孔基体作为载体的复合相变材料。要抑制液体的流动性，我们也可以制备胶囊封装的材料，把相变材料封在胶囊体里面，我们还可以将相变材料与聚合物复合在一起。总之，多孔介质封装、胶囊封装以及聚合物封装都是目前从材料制备的角度上比较常见的复合技术。
对于高导热的相变材料，可以使用碳材料作为载体与相变材料进行复合，碳材料有比较好的导热性能和可靠性，跟相变材料复合在一起制备出具有高导热的复合相变材料。碳材料有多孔结构，作为载体可以发挥表面张力和毛细作用率的相互作用，能抑制液体的动性，因此复合相变材料能够保持定型的特征，在相变过程中宏观上保持固体的形状，同时碳材料高的导热系数可以显著的提升复合相变材料的导热性能，最高导热系数可以提高二百倍以上，比如有机物的导热系数只有0.3W/m.K左右，通过复合压缩定型之后，导热系数能接近60W/m.K，得到数量级的提高。
对于胶囊状的相变材料，我们既可以制备聚合物壳的胶囊，也可以制备成无机物壳的胶囊，它的外壳材料是可以选择的，胶囊的粒径也可以进行调控，可以制成微米级的胶囊，也可以制成纳米级的胶囊，而且它的胶囊外壳还可以进行改性，胶囊状相变材料也可以作为功能产品在温控领域中应用。
聚合物基复合相变材料，能实现相变材料的柔性特征，既可以解决相变过程中液体的流动性，同时也可以作为一种温控结构材料，直接贴附在一些发热器件表面实现对温度的控制，后面我也会简单介绍一下。这就是我们目前在储热领域中应用或者是研究比较多的三类材料。
从储热材料的应用层面上来讲：
第一，在电池热管理领域应用。我国大力发展的新能源汽车，以及可再生能源发电的配套装置储能电站，都离不开锂离子电池的应用，电池在储能系统中起着非常关键的作用。
但是电池本身有很明显的温度敏感性，温度如果太低，它的电荷转移电阻就很大，隔膜里面离子的渗过率减小，离子导电率会下降。新能源汽车在东北比较受限，主要是电池的低温性能很差。而在高温的时候，电池的电极副反应会加剧，导致电池的老化，减少使用寿命，温度进一步升高，导致电池的着火和爆炸。在一个电池模组里面，需要电池与电池之间的温差一致性非常好，最好小于5度。因此，因此，电池的高效热管理非常重要。
目前，无论是车载还是储能电站，在电池热管理领域的主要技术包括空气冷却，液体冷却，热管导热。我们团队做得比较多的工作是采用相变储热的方式进行电池的热量管理。
在相对短的时间内，采用相变材料。
对电池进行热管理，电池的最高温度会小于50度，电池间的温差会小于3度，这对电池的应用来讲是一个很好的效果。但是传统的相变材料因为要确保高导热系数，使用碳材料复合，这种材料有一定的脆性，跟电池的贴合不是很好，带来较大的接触热阻，所以我们要开发具有柔性的，能够跟电池贴合度比较好的，同时有比较高导热系数的材料。这样的材料在很多使用电池的家用电器和电子产品上都有需求，能够延长使用时间。
第二，在电池长时间连续产热的场景中，比如在储能电站或车载系统中，要控温就要有很大的相变材料用量，仅用相变材料来控温是不现实的。因此，在实际应用过程中相变储热必须跟液冷、风冷等主动散热形式相结合，我们团队也开发一种潜热型热流体，它是一种相变乳液，可以替代水。它的优势是具有较高的比热容，是水的2-3倍，所以在单位的控热时长下，可以减少流体的用量，或是降低电池模组之间的温差，特别是在大倍率放电条件下，控温效果非常好。
第三，除了对电池进行控温外，我们还非常担心电池的着火和燃烧。目前比较主流抑制电池热失控的方式是使用低导热系数的气凝胶作为隔热材料，目的是在某一个电池热失控的时候，希望通过低的导热系数形成隔热层来阻止热量其向周围电池扩散，从应用效果来看，还很难实现完全抑制电池热失控风险。前不久有报道说，我国每天至少有8台新能源车发生着火事故。
锂电池大于120度时会触发热失控的风险。我们想，“堵”的方法不是最好的，能否开发一种在120度附近吸热速度比较快、且可以吸收很大热量的材料？为此，我们开发了一种具有储热功能的材料，放在电池模组里面进行控温，最近我们完成了一些电池模组的测试，证明它的抑制电池热失控的效果非常显著。
我们也研发了储能电站的温控产品，去年已经应用在近1000套储能电站的集装箱中。普通的储能电站控温模式是通过制冷机组产生低温水对电池模组进行控温，我们在制冷机组和储能电站之间，增加了一个储冷装置，有什么好处呢？普通的储能电站，配备的机组要满足它最大的峰值热负荷，而储能电站温控过程不是连续的。我们可以通过储冷技术进行热管过程的调节，这样一来给用户带来很多的好处：
1. 大大的减少制冷机组设备的投入。
2. 保障整个过程的可控性和运行的平稳性。
通过这种方式，大约可以提高1%的发电效率，减少运营成本。
储热技术除了应用于电池热管理外，还有一方向是在热泵系统中应用。在碳达峰和碳中和的背景下，第一是将热泵系统跟太阳能结合在一起构建多能互补的供热系统；第二是在峰谷电价差背景下降低运行成本，可以利用低价电来制热、储热，高价电时再来放热。这个过程的核心就是储热系统，它既涉及到储热材料，也涉及到储热器。
为了兼顾传热性能和储热密度，我们在储热器方面做了一些研究工作。第一，开发高性能的储热材料；第二，设计一种高效的储热器结构。思路是用高导热材料和相对比较紧凑的储热器结构，最终能够开发一种高储热密度，高换热效率的储热器产品。
这个是我们跟美的合作研发的样品，储热密度为33MJ，用10度的水进行放热，放热有30MJ，这个方面还要进一步优化。我们以前也跟国内一家制冷企业开发了基于储热技术实现不停机化霜的热泵系统，比Panasonic他们报道产品还早。热泵在冬季运行的时候，可以通过储热技术实现不停机的化霜。
此外，我们也跟美的公司合作开发饮水机，通过储热换热器快速将100度左右的开水降到45度或55度左右，目前取得较好的研究进展。储热技术还在其它领域实施应用，比如储热式建筑材料、人体热管理、电子器件控温等。
最后总结一下，储热技术是实施碳达峰、碳中和进的重要技术，高性能的储热材料以及高效储热器的开发是核心，后续需持续推进其在热泵空调、热管理、太阳能利用、建筑节能等等领域的应用。非常感谢，请批评指正，谢谢！
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