本文提出了一种潜热储热、显热储热、化学反应储热协同的一种“三模态”储热材料。
【科研前瞻】
什么是卡诺电池？
卡诺电池是一种基于卡诺循环原理的储能系统，通过将电能转化为热能储存，再通过热力学循环将其转化为电能，达到高效的能量存储与释放。充电时，电能转化为热能储存在介质中，放电时则将储存的热能转回电能供使用。
【文献摘要】
为了减少对化石燃料的依赖，科学家们希望找到一种高效、便宜又环保的方式储存能量，这样就能更好地利用可再生能源。热能储存材料是一种可以储存和释放热量的材料，如果和“卡诺电池”结合使用，可能会彻底改变我们储存能源的方式。但问题是，目前还没有一种稳定、便宜又能储存大量能量的热能材料。
为了解决这个问题，研究人员开发了一种新型材料，它可以同时使用三种方式来储存热量：潜热（比如冰融化吸收热量）、热化学反应（通过化学变化储热）和显热（比如单纯通过升温储热）。这是一种由硼酸和琥珀酸组成的混合物，当温度达到150°C时，这种材料会发生一系列变化，能吸收很多热量（394 ± 5 J/g）。具体来说，它在加热时硼酸会融化并与水结合，产生一种叫“代谢酸”的物质；而在冷却时，“代谢酸”又会重新变回硼酸，整个过程可以循环反复使用。
这种材料不仅稳定，而且在实验中经受住了超过1,000次加热和冷却循环的考验。同时，它的成本很低，而且对环境友好。研究人员认为，这种新材料的特别之处在于，它结合了固体和液体的状态变化以及化学反应，为未来开发更高效的储能材料提供了新的可能。
文章以《 Trimodal thermal energy storage material for renewable energy applications》发表在Nature上。
【文章背景】
卡诺电池是一种低成本、可随处使用的储能技术。它将电能转化为热能，把热能储存在一种廉价且容易获取的材料中，以便日后再次用来发电。在其中一种设计中，这种电池通过可再生能源来充能，利用热泵将热量从低温的冷源转移到高温的热源，并把热量储存在热能储存材料中。在需要放电的时候，储存的热能会被释放出来，用来驱动热泵反向运转，产生电能。同时，它还会产生一些低温热量，这些热量可以用在供暖或其他工业应用中。
这些技术的关键在于热能储存材料。热能的吸收和释放需要在一个相对较窄的温度范围内进行，这样才能更高效。同时，还有两个重要因素：
1.材料每单位质量或单位成本的可逆能量吸收能力，也就是说材料能够储存多少热能，这决定了储存的热量是否足够多。
2.高稳定性，这能确保材料在使用多年后仍能保持高效的储热性能。
热能储存有多种方式。以下是几种主要模式：
显热储存（Sensible heat storage）：这是通过材料在工作温度范围内的热容（即材料吸收热量后温度升高）来储存热能。
潜热储存（Latent-heat storage）：这种模式通过相变材料（Phase Change Material, PCM）的可逆相变来储存能量，例如材料从固体变成液体的过程中吸收热量。
热化学储存（Thermochemical mode storage）：这种储存方式是通过可逆的化学反应或吸附/解吸过程来储存热能。
【文章内容】
最近，将三种热能储存模式（显热、潜热和热化学）结合到一个系统中的概念被提出，因为这可以实现极高的热能储存容量。在这一探索中，研究学者发现了一种材料，它通过独特的机制在较窄的温度范围内储存大量热能，并结合了所有三种热能储存模式。
研究学者的研究表明，这种材料在吸收热能的初始阶段表现为显热储存，而当达到熔点后，材料进入液态，液态具有良好的溶解性，可以进一步触发一种热化学过程，实现协同作用。一个令人惊讶的关键特性是，这种热化学过程高度可逆且反应迅速，这解决了热化学储能材料的一个主要挑战——可逆性问题。
简单来说，这种材料先通过升温储热（显热），然后通过熔化吸热（潜热），最后在液态中进行化学反应储热（热化学）。这种整合方式让它能够在较小的温度范围内储存更多能量，同时克服了传统热化学储能材料的技术难点。
【图文解析】
三模态热能储存：
(a) 硼酸和琥珀酸共晶混合物（χBA = 0.6）的DSC（差示扫描量热法）曲线（加热/冷却速率为1°C/min）。红色实心区域表示由于相变和化学反应能量的结合，在吸热熔化/脱水过程中吸收的热能；蓝色实心区域表示在放热固化/再水合过程中释放的热能。
(b) 共晶混合物的拉曼光谱，分别在室温（底部，蓝色）、液态（中部，红色）以及熔融液体固化后获得的样品（顶部，蓝色）条件下测量。光谱中750至1,000 cm⁻¹的区域被放大（浅紫色阴影部分），显示硼酸（880 cm⁻¹）和琥珀酸（936 cm⁻¹）的特征峰，同时在液态中由于形成偏硼酸而出现812 cm⁻¹的特征峰。
(c) 硼酸、琥珀酸以及共晶混合物的热重分析（TGA，升温速率为10°C/min）。
(d) 在单波反应器中，于150°C条件下，在10 ml密闭管内测试1 g共晶混合物3小时所产生的蒸汽压变化，结果表明蒸汽压较低，因为水保持溶解在液态混合物中。a.u. 表示任意单位。
硼酸和琥珀酸二元混合物的热行为：
(a) 二元混合物在加热和冷却循环（加热/冷却速率为10°C/min）中的DSC（差示扫描量热法）曲线。为清晰起见，y轴为任意单位，且每种情况下的热流轴均已调整；所有包含量化热流数据的DSC曲线（三个循环）详见扩展数据图4。
(b) 随硼酸摩尔分数（χBA）变化的温度-成分相图。温度精度为±1°C（标准误，n=3）。
(c) 在加热循环过程中，不同转变所吸收的热能（不包括显热成分）随硼酸摩尔分数变化的热量数据（精度为±5%；标准误，n=3）。a.u.表示任意单位。
长期三模态热能储存材料的性能：
(a) 选取了1,000次加热-冷却循环中的部分DSC（差示扫描量热法）曲线，显示吸热峰和放热峰的形状几乎没有变化。
(b) 折线图（上图）显示在加热过程中热能吸收温度（Tu；±1°C；标准误，n=3）无变化，而热能释放温度（Tr）略有变化。柱状图（下图）展示了在加热和冷却循环中热能吸收和释放的数据（±5%；标准误，n=3），表明该材料具有良好的热稳定性。
(c, d) 纯硼酸（黑色）、纯琥珀酸（粉色）、以及共晶混合物在1,000次加热-冷却循环前（绿色）和后（紫色）的拉曼光谱和粉末X射线衍射（PXRD）图谱。a.u. 表示任意单位。
【研究团队】
Karolina Matuszek博士是蒙纳士大学化学学院的一名讲师，曾荣获备受瞩目的澳大利亚研究委员会早期职业行业研究员奖学金。她的研究专长主要集中在可再生能源储存和可持续催化领域。
目前，Matuszek博士的研究重点是热能储存，特别是设计创新的相变材料（PCMs），这些材料能够通过简单的相变高效且低成本地存储大量能量。这种相变的可逆性确保了能量的高效释放，并显著延长了材料的使用寿命。基于相变材料的技术具有低成本、环境友好、高可靠性和高可扩展性的潜力。
此外，Matuszek博士与行业合作伙伴有密切合作，目前她与Boron Molecular公司合作，致力于开发可持续的相变材料以及环保的生产方法。
Doug MacFarlane教授是蒙纳士大学化学学院的Sir John Monash杰出教授。他在新西兰惠灵顿维多利亚大学完成了本科荣誉学位，随后在普渡大学师从已故的Austen Angell教授完成博士学位，并之后加入蒙纳士大学担任学术职位。2007年，他获得了ARC联邦研究员奖学金，并于2012年获得澳大利亚桂冠研究员奖学金。他的研究兴趣包括有机盐的化学性质及其在电化学中的应用，尤其是可再生能源储存中的应用。目前，他的研究重点是通过电化学生成氨气以用作能源储存媒介。MacFarlane教授拥有卓越的研究成果，已发表800多篇论文和30项专利，其研究成果被引用超过80,000次（h指数140）。自2019年以来，他被评为科睿唯安“高被引科学家”。此外，他于2007年被选为澳大利亚科学院院士，2009年成为澳大利亚技术科学与工程学院院士，并于2024年当选为英国皇家学会会士。除了学术成就，MacFarlane教授还共同创立了Jupiter Ionics P/L公司，专注于扩大其团队开发的氨气生产技术的应用。
