一种储能相变材料及其制备和应用

本发明属于相变储能材料及其制备，涉及了一种用于热能长期存储与可控释放的相变材料的设计及其制备技术。

背景技术：

1、化石能源过度使用引起的能源危机和环境污染问题日益凸显，使得提高能源利用效率和寻求清洁可再生能源迫在眉睫。储热技术是以储热材料为媒介将太阳能光热、工业余热等热能储存起来，在需要的时候释放，力图解决由于时间、空间或强度上的热能供给与需求间不匹配所带来的问题，最大限度提高整个系统能源利用率的一种技术。相比于其他储热技术，相变储热具有单位体积储热密度大的优点，且在相变温度范围内具有较大能量的吸收和释放，存储和释放温度范围窄，有利于充热放热过程的温度稳定。然而，传统相变储能材料吸收热能后，需要高度绝热的容器盛装并阻隔其与外界发生热交换，实际上受限于常用容器的绝热性能，在长时间储热过程中，容器内的相变材料不断与外界发生热量交换，造成体系温度低于相变温度，此时相变材料自发释放出热能造成热损失，使得热能储存过程热损失增加，热利用释能过程缺乏可控性，在时间与空间上极大限制了热能存储与利用的过程。

2、过冷现象是相变材料处于亚稳态液体时温度降低至结晶温度仍不发生结晶行为，在继续冷却到凝固点以下一定温度时方开始结晶。当相变材料应用于控温时，过冷现象降低了相变材料对控温对象温度变化的灵敏度，造成控温对象温度变化波动大、控温精度下降等问题，因此传统研究主要以降低相变材料过冷度为目的。然而，如果反其道而行之，增大相变材料过冷度而抑制其在降温过程中结晶，将其结晶热在一定时间内储存在过冷液体中，当需要热量时再通过添加成核剂或其他方式触发结晶放热，就有望实现相变材料的热能长期存储与可控释放。

3、无机水合盐相变材料和有机糖醇类相变材料具有导热系数高、相变潜热大、价格低、原料易得、不可燃性等优点，在中高温热能存储领域展示了巨大的应用前景；同时其结晶过程也存在过冷现象，具有将其以过冷液体形式存储潜热的潜能。但无机水合盐对金属具有较强的腐蚀性，且存在相分离和严重过冷现象。而有机类相变材料，如多元醇类对金属设备无腐蚀且具有良好的成核特性、化学特性和热稳定性；此外，多元醇类相变材料之一的赤藓糖醇是天然产物，原料廉价易得；且具有无毒、不易燃、无腐蚀性等优点，是一种性能优异的相变储能材料。赤藓糖醇分子间有大量氢键，过冷度高，可通过外加物质与其形成氢键，使其在冷却过程中不结晶，而在再加热过程中出现冷结晶以及随后的熔化行为。本发明通过物理共混法制备了聚合物基赤藓糖醇复合相变材料，主要用于热能的长期储能与可控释放。该复合材料具有制备流程简单、储热密度高、循环性能好等优点，适用于太阳热能储存、废热回收利用等领域。

技术实现思路

1、本发明主要解决的技术问题是克服赤藓糖醇降温过程中的自发结晶放热，让其在低于结晶温度时保持液态储存相变潜热。提供一种用于热能长期存储与可控释放相变材料的制备方法，所得材料可在室温下长时间稳定高效的储存热能，之后可通过再加热和异质成核作用来可控的释放热能。该复合相变材料具有优异的化学稳定性、热稳定性和安全性；可用于太阳热能储存或废热回收利用等。

2、本发明采用的技术方案为：

3、(1)室温下，将羧甲基纤维素钠在水中搅拌，直至形成均相羧甲基纤维素钠水溶液；

4、或者，向上述制备的羧甲基纤维素钠水溶液中加入离子交联剂并继续搅拌，获得聚合物均相水溶液；

5、(2)将赤藓糖醇加入步骤(1)中制备的聚合物均相水溶液中或步骤(1)制备的羧甲基纤维素钠水溶液中，搅拌，获得均相糖醇聚合物水溶液共混体系；

6、(3)将步骤(2)制备的糖醇聚合物水溶液在常压下烘干水分，制得用于热能长期存储与可控释放的相变材料。

7、进一步地，所述步骤(1)中所用的羧甲基纤维素钠粘度范围为100-1500mpa.s，且在500-800mpa.s时最佳；

8、进一步地，所述步骤(1)中羧甲基纤维素钠水溶液中羧甲基纤维素钠的质量分数为1-5％，优选为1-2％，且质量分数在1％时最佳；

9、进一步地，所述步骤(1)中离子交联剂为乙二胺四乙酸、乙二胺四乙酸二钠、乙二胺四乙酸四钠、柠檬酸、柠檬酸一钠、柠檬酸二钠、柠檬酸三钠中的一种或多种；

10、进一步地，所述步骤(3)中相变材料赤藓糖醇于储能材料中的质量含量为70-90％，优选为75-85％，最佳为80％；

11、进一步地，所述步骤(3)中羧甲基纤维素钠在储能材料中的质量含量为10-20％，优选为10-15％，最佳为10％；

12、进一步地，所述步骤(3)中离子交联剂在储能材料中的质量含量为0-10％，优选为5-10％，最佳为10％；

13、进一步地，所述步骤(3)中烘干温度为60-100℃。烘干温度优选为70-90℃，且在80℃时最佳；

14、进一步地，所述步骤(1)加入羧甲基纤维素钠后的搅拌时间为0-2小时，优选为0.5-1小时；加入离子交联剂后的搅拌时间为1-3小时，优选为1-2小时；

15、进一步地，所述步骤(2)的搅拌时间为1-4小时，优选为1-3小时，且在2小时最佳；

16、进一步地，所述步骤(3)的烘干时间为8-48小时，优选为12-24小时。

17、该方法采用相变材料赤藓糖醇作为蓄热单元，羧甲基纤维素钠作为过冷液体稳定材料，并通过添加离子交联剂来调节复合材料的相变性能，采用物理共混法制备得到可用于热能长期存储与可控释放的相变材料。本方法所制备的用于热能长期存储与可控释放的相变材料具有相变潜热高，相变性能可调、储能稳定性好、操作简单的优点，易于其在太阳热能存储、废热回收利用等方面的应用。

18、本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：本发明所制备的可用于热能长期存储与可控释放的相变材料具有优异的储热性能，其可在室温下储存，之后通过热引发或异质成核作用可触发过冷液体结晶释放潜热。能够解决现有热能储存时效短，释热无法控制的问题，同时发明的可用于热能长期存储与可控释放的相变材料制备工艺简单、产品无毒、易实现大规模工业生产。

技术特征：

1.一种储能相变材料，所述储能相变材料包括赤藓糖醇和过冷液体稳定材料羧甲基纤维素钠；或，所述储能相变材料包括赤藓糖醇和过冷液体稳定材料羧甲基纤维素钠和用于相变性能调节的离子交联剂。

2.根据权利要求1所述的储能相变材料，其特征在于：

3.根据权利要求1或2所述的储能相变材料，其特征在于：

4.根据权利要求1或2所述的储能相变材料，其特征在于：

5.一种权利要求1-4任一所述储能相变材料的制备方法，其特征在于：具体包括以下工艺步骤：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：

9.一种权利要求1-4任一所述储能相变材料的应用，其特征在于：所述储能相变材料产品可用作热能转化与储存的相变材料。

10.按照权利要求9所述储能相变材料的应用，其特征在于：所述储能相变材料可用于热能的长期存储与可控释放。

技术总结
本发明公开了一种用于热能长期存储与可控释放的相变材料及其制备方法。该方法以相变材料赤藓糖醇作为相变工质，羧甲基纤维素钠被用来提高过冷液体稳定性，并通过添加离子交联剂来调节复合材料的相变性能，采用物理共混技术制备得到可在室温下长期存储热能且可通过热引发或异质成核作用引发结晶，实现放热可控的聚合物基复合相变材料。本方法所制备的可室温下长期储能的聚合物基复合相变材料具有相变潜热高，相变性能可调、稳定性好、操作简单等优点，在太阳热能长期存储和可控释放等方面有广阔的应用前景。

技术研发人员：史全,李艳更,寇艳
受保护的技术使用者：中国科学院大连化学物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15