热能占全球能量转换与利用过程的约90%，除了提升储能容量外，热能需要被快速存储于热电池中，以便在特定时间和地点释放以满足可再生能源应用的需求。然而，常见相变材料，特别是具有高熔融焓的有机材料，固有的低热导率严重限制了其功率密度，这对实现兼具高能量密度与快速充电能力的相变热电池构成了严峻挑战。

【工作介绍】

在此，浙江大学范利武研究，普林斯顿大学胡楠和宁波大学叶羽敏教授等人报道了一种基于复合涂层理性设计的策略，可在密封热电池内部实现滑移增强型紧密接触熔化，从而在不牺牲能量密度的前提下大幅提升充电倍率。使用有机相变材料的原型器件实现了创纪录的功率密度1100±2% kW m-3。该涂层设计集成了脉冲加热层（用于预热相变材料以触发紧密接触熔化）与类液体滑移表面（确保剩余固体顺畅下沉并维持滑移增强熔化模式持续进行），建立了理论模型阐释滑移表面对充电倍率的增强机制。该策略具有高循环寿命、适应性强和可扩展性好的特点，可适用于多种相变材料体系，为实现宽温域内的高性能热能存储提供了通用解决方案。

相关研究成果以“Pulse heating and slip enhance charging of phase-change thermal batteries”为题发表在Nature 上。

【内容表述】

如图1a所示，电化学电池与相变热电池的充电过程具有相似性，均涉及在外加负载驱动下电荷/热载流子的迁移。但关键区别在于热电池的热阻RT取决于热导率k以及由传导和/或对流决定的局部温度梯度（dT/dx），这使得提升相变热电池的功率密度极限面临挑战。

传统提升功率密度的方法主要依赖添加不同尺度的嵌入物/填料，以制备具有更高等效热导率的复合相变材料。复合相变材料的热导率在填料添加量为30 wt%时可达到约33 W m-1 K-1，但不可避免地会牺牲能量密度作为代价，且充电功率密度随材料尺寸增大而急剧下降。

本文提出一种新型滑移增强型紧密接触熔化机制，能够以近乎被动的方式实现相变热电池的快速充电，通过在相变材料容器的内侧壁面施加由脉冲加热层和类液体滑移表面层构成的全固态复合涂层，实现了滑移增强型紧密接触熔化模式。脉冲加热层仅需极少预热能量即可使固态相变材料与侧壁分离，在充电开始时触发紧密接触熔化。随后类液体滑移表面层促进剩余固态相变材料的下沉，维持其与加热底部之间增强的“紧密接触”状态。

图1. 相变热电池的快速充电。

为验证滑移增强型紧密接触熔化策略的有效性，作者构建了可视化单层热电池单元。其核心在于采用了一种具有纳米梯度多层设计的全固态类液体滑移表面层。该涂层厚度约200纳米，具备高机械强度、亚纳米级粗糙度及优异的滑移性能，滑移长度测量值在45至90微米之间。通过对比传统熔化与sCCM模式发现：传统过程中，固态相变材料紧密附着侧壁，严重阻碍了紧密接触熔化的自发启动，导致前期熔化缓慢；而在sCCM策略下，由脉冲加热层形成的极薄液膜（约40微米）与类液体滑移表面的协同作用，不仅使固态相变材料更早脱离侧壁并下沉以触发紧密接触熔化，还通过降低液膜剪切应力和热阻，在整个充电过程中持续强化传热。实验结果表明，该技术将典型有机相变材料的完全熔化时间从约30分钟大幅缩短至不足3分钟，即使在全密封条件下仍能保持显著的强化效果。

图2. 支持sCCM的快速充电过程。

进一步建立了滑移增强型紧密接触熔化理论模型，通过推导描述固态相变材料剩余高度演化的非线性微分方程，并结合并联热阻网络分析，揭示了边界滑移效应强化传热的机理。模型预测与实验高度吻合，证实预热形成的约40微米液膜与45-90微米滑移长度的协同作用，可使熔化速率显著提升。理论分析表明，滑移增强型紧密接触熔化模式在整个充电过程中能持续保持高于1000千瓦/立方米的功率密度，其等效热阻仅为传统紧密接触熔化的一半，比纯导热模式低一个数量级。此外，研究通过无量纲参数揭示了单元几何结构的影响规律：在固定相变材料体积下，减小内外半径比可提升功率密度。

图3. sCCM的流动与热分析。

通过原型热电池测试系统评估了滑移增强型紧密接触熔化技术的实际性能。拉贡图分析表明，该技术在能量密度（31–57 kWh m-3）与功率密度（540–1100 kW m-3）的综合表现上显著优于传统对流熔化、添加导热填料及主动压力驱动等方法，尤其在50%荷电状态下功率密度可达约1100 kW m-3。其等效热导率在保持相变材料本征熔融焓（212 J g-1）的前提下提升至8.1 W m-1 K-1，较原始材料提高30倍。经50次完整熔凝循环测试，该机制展现出优异的稳定性，充电时间缩短近50%，不同荷电状态下功率密度波动小于4%，外推200次循环后功率密度保持率仍高于80%。该研究证实sCCM机制在无需运动部件、不牺牲能量密度的前提下，为实现高功率、长寿命的相变热储能系统提供了可靠的技术路径。

图4. 一种支持sCCM的热电池的性能。

【全文总结】

综上所述，为解决相变热电池在保持高能量密度的同时实现快速充电的难题，本文提出了滑移增强型紧密接触熔化机制。该策略通过脉冲加热层与滑移表面协同作用，不仅能快速触发紧密接触熔化过程，更能在整个充电周期持续提升传热效率。由于该机制可适配具有不同熔点的各类有机与无机相变材料，且加热界面与滑移表面具备良好可扩展性，滑移增强型紧密接触熔化为开发兼具高能量密度与超快充电能力的高性能相变热电池提供了一条实用且经济高效的路径。

【文献信息】

Zi-Rui Li, Nan Hu✉, Zhen-Bo Wang, Guo-Tao Fu, Yang-Yan Lai, Yue-Fei Wu, Jia-Jie Jiang, Xiao-Rong Wang, Shuang-Shuang Ni, Yu-Min Ye✉, Zi-Tao Yu, Xiang Gao, Howard A. Stone& Li-Wu Fan✉*, Pulse heating and slip enhance charging of phase-change thermal batteries, Nature, https://doi.org/10.1038/s41586-025-09877-0

文章来源：能源学人

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