有一種“矛盾”的能量，叫熱能。

一方面，它與我們的日常生活有著密切的關系，如飯菜需要加熱烹煮、冬天需要供熱保暖、夏天需要空調降溫、冰箱需要制冷等，一日三餐、衣食住行、工業(yè)生產(chǎn)，都離不開熱能。

燃燒篝火取暖（圖片來源：veer）

另一方面，它使用起來并不那么方便。由于熱力學定律的限制，熱量總要從高溫物體向低溫物體傳導。一杯熱水放在室溫下，不一會兒就會變涼，水里的熱能逸散到了空氣中，這部分能量相當于是被浪費掉了。在工業(yè)生產(chǎn)中，這種現(xiàn)象更加嚴重和普遍。有時候產(chǎn)生的廢熱太多需要降溫，另一些時候溫度不夠又需要消耗電能等其他能量來補充，造成很大的浪費。

如果我們能直接對熱能進行管理，將多余的熱量儲存起來，等到需要的時候再拿出來用，能量的浪費會不會減小很多呢？巧了，科學家也這么想。

中國科學院金屬研究所的李昺研究員團隊與北京高壓科學研究中心李闊研究員、上海交通大學林尚超教授等合作，發(fā)現(xiàn)了一種材料，在此基礎上設計的“熱電池“可以長時間儲熱，總能效為92%。今天這項成果在《科學進展》（Science Advances）雜志公開發(fā)表。

什么是儲熱？

當我們談論儲熱技術時，我們指的是將多余的熱能存儲在特殊的介質中，以便在需要時重新釋放出來的過程。這項技術在許多領域都發(fā)揮著重要作用。它的原理是利用材料的熱容量將熱量儲存在該材料中，以便于后續(xù)實現(xiàn)能量的存儲和調節(jié)。

我們往往希望儲存的熱量來源是在生產(chǎn)生活中“多余”或“廢棄”的部分，也就是將我們所說的“廢熱”進行利用。例如鋼鐵生產(chǎn)中的大量高溫熱氣、熱水利用儲熱技術應用將熱量存儲用于供暖或再生產(chǎn)，熱力發(fā)電將系統(tǒng)廢熱轉化為蒸汽或熱水進行再發(fā)電等等。

儲熱技術的應用領域（圖片來源：veer圖庫）

儲熱再利用，科學家“操碎了心”

在能量的轉換或是傳輸過程中，那些未被充分利用而釋放到環(huán)境中的熱量被稱為“廢熱”，例如冶金、石油、制造業(yè)、食品、制藥等各領域中均有存在。

常見的儲熱方式包括：熱質儲熱、相變儲熱、化學儲熱等等。隨著新能源技術的發(fā)展，相變儲熱由于其體積小、儲熱密度高、對熱能的儲存及利用率高、環(huán)境友好等優(yōu)勢得到了推廣及應用。

相變儲熱材料（Phase Change Materials，縮寫為PCM）指一類能夠通過物質的相變過程來儲存能量的材料。通俗點來說，相變即為物質的物相（固、液、氣等）發(fā)生變化的過程，以水的三態(tài)為例：水蒸氣→氣相，水→液相，冰→固相。就像冰融化和水沸騰，在相變的過程中往往需要環(huán)境為其供給或移除大量的熱量，這一特點是相變材料能被用作儲熱材料的關鍵。相變儲熱材料是一種可以吸收和釋放大量熱量的材料，在吸收熱量的過程中將熱能儲存在材料內，在需要使用時對外釋放熱量。

水的“相變”（圖片來源：Veer圖庫）

雖然物質只有一種氣相，但可不只有一種固相或液相。舉個例子（栗子）：對于碳來說，金剛石和石墨都是它的固相，但其物理化學性質完全不同，是兩種不同的固相，石墨變成金剛石的過程就是一種固-固相變。在我們剛剛提到的相變儲熱材料中，最理想的材料之一就是固-固相變儲熱材料。它的結構更為緊湊，化學穩(wěn)定性也更好，壽命更長，經(jīng)歷多次循環(huán)也能完成“儲熱任務”，可應用的場景及溫度也更廣泛。然而，現(xiàn)有的這類材料在實際儲熱應用的過程中還存在諸多問題。

首先，利用現(xiàn)有固-固相變儲熱材料儲存在相變中的熱量釋放難以精準控制，熱量的存儲和釋放通常受環(huán)境溫度影響較大，在使用過程中比較“被動”。

其次，這類材料在完成熱量的儲存后，往往需要在短時間內利用或轉移，很難實現(xiàn)長時間的穩(wěn)定儲存。

既然現(xiàn)有的固-固相變材料存在不少問題，那是否有什么新材料可以解決這些弊端呢？如果我們能像電池儲存電力那樣，將工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的熱量裝進“熱電池”中存起來，到需要用時再釋放出來，豈不是又方便又環(huán)保？這次科學家們的成果，就是在實現(xiàn)這件事。

他們用壓力做“開關”，讓熱能隨存隨取

近期，中國科學院金屬研究所的李昺研究員團隊與北京高壓科學研究中心李闊研究員、上海交通大學林尚超教授等合作，發(fā)現(xiàn)了首個反常龐壓卡材料體系——NH4SCN，讓熱能像電能一樣隨存隨取成為可能。

         

 

壓卡效應是指材料在壓力的驅動下相變而產(chǎn)生的吸熱或放熱現(xiàn)象的熱效應，而龐壓卡效應是指：壓卡效應的指標（最大等溫熵變）較傳統(tǒng)材料提高了一個數(shù)量級。相比于正常壓卡效應，加壓放熱、卸壓吸熱，反常壓卡效應表現(xiàn)出罕見的加壓吸熱、卸壓放熱現(xiàn)象。

利用反常壓卡材料不僅可以實現(xiàn)固態(tài)制冷，同時也可構建壓力可控儲熱技術。這一發(fā)現(xiàn)對于將龐壓卡材料的應用場景成功地拓展至儲熱領域，具有重要意義。

NH4SCN在壓力驅動下的熱流曲線以及絕熱溫變（圖片來源：作者提供）

該新材料的不同之處在于利用壓力作為調控手段，使熱量可以打破原有受到時間及空間限制的“壁壘”，通過控制壓力的加載和釋放，來調控熱量存儲及釋放。材料儲熱及釋放熱量的速度也可通過加載及釋放的速率進行控制，從而實現(xiàn)了熱能的可控性（就像添加了一個方便的“開關”）。壓力作為調控手段，比起溫度等其他調控方式更不易受環(huán)境等因素的影響，儲熱的穩(wěn)定性更高，可實現(xiàn)長時間儲存的需求，方便隨存隨取，基本達到了“熱電池”的效果。

利用壓力作為調控手段使熱量具有時間和空間轉移性（圖片來源：作者提供）

室溫下的NH4SCN的形貌及及壓力下的晶體結構示意圖（圖片來源：作者提供）

在這些地方，“熱電池”能變廢為寶

當前的能源利用格局存在一個尖銳的“熱能悖論”，熱能生產(chǎn)占全球最終能源消耗的50%以上，且貢獻了全球約30%的碳排放量；同時，全球72%的初級能源在轉化后又主要以熱的形式耗散。有了這些性能優(yōu)良的儲熱材料，廢熱利用的想象空間就比過去大得多了。

過去的建筑或工廠，即使應用了廢熱轉化技術，也局限于熱量的即時轉化和使用；有了這種新型的“熱電池”，廢熱就有可能在時間和空間上被更加隨心所欲的使用。未來，對于熱電廠、數(shù)據(jù)中心這樣需要大量散熱的場所來說，不需要的廢熱或許就能“變廢為寶”。

壓卡熱電池的應用設想（圖片來源：作者提供）

這種新型的“熱電池”能夠把熱量在低峰時段存儲起來，穩(wěn)定保存，這樣就可以在高峰時段釋放出來供應熱能，同時彌補了可再生能源具有波動性和間歇性的不足，降低了能源系統(tǒng)運行的不確定性。

屆時，我們也將離“碳達峰”與“碳中和”的目標更近一步了！

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