浙江大学，Nature！

研究背景

热能涉及全球约90%的能源转换。相变热电池在可再生能源存储和废热回收领域具有巨大潜力，但在追求高能量密度的同时，受限于有机相变材料（PCM）极低的导热性能，难以实现快速充电。目前提升充电速率的方法（如添加高导热填料）通常以牺牲能量密度或增加额外能耗为代价。

关键问题

目前，储热技术的开发主要存在以下问题：

1、能量密度与充电速率难以兼得

高熔化焓的PCM通常导热性极差。通过制造复合材料提升导热性会减少相变材料体积，从而降低能量密度；而通过施加外力强化熔化则需消耗额外能量并涉及复杂运动部件。

2、界面热阻随充电进度显著增大

在传统导热或对流充电过程中，随着相界面远离加热边界，传热距离增加导致温度梯度降低，充电速率会随之剧烈衰减，且在大尺寸装置中这一失配现象更加严重。

新思路

有鉴于此，浙江大学范利武，普林斯顿大学胡楠和宁波大学叶羽敏等人报告了一种在不牺牲能量密度的前提下提升充电速率的策略，该策略基于对复合涂层的合理设计，实现了密封热电池内部的滑移增强近接触熔化（sCCM）。利用有机PCM，在原型机中实现了创纪录的1,100 ± 2% kW m⁻³的功率密度。我涂层设计集成了一个脉冲加热（PH）层用于预熔PCM以启动CCM，以及一个类液滑移表面（LLS）以确保剩余固体无阻碍下沉并在整个充电过程中维持sCCM模式。建立了一个模型来解释滑移表面如何提升充电速率。凭借高循环寿命、适应性和可扩展性，该策略可推广至多种PCM，实现在广泛温度范围内的高性能热能存储。

技术方案：

1、提出了滑移增强近接触熔化机制

本研究通过界面工程构建sCCM脉冲加热层，显著缩短四十四烷PCM充电时间至3分钟内，强化了传热效果。

2、建立了热阻与功率密度的理论模型

本研究建立了sCCM物理模型，推导固体余高变化方程，分析传热界面贡献，发现sCCM热阻低，充电时液膜恒定，功率密度高且稳定，为热电池优化设计提供了理论指导。

3、评估了电池性能与循环稳定性

sCCM热电池在系统级评估中表现优异，功率密度世界领先，无潜热损失，导热系数提升30倍，耐用性强，材料兼容性好，适用于可再生能源存储和废热回收。

技术优势：

1、首创了sCCM（滑移增强近接触熔化）机制

作者通过集成脉冲加热层（PH）和类液滑移表面（LLS），成功解决了密封容器内固体PCM易粘附侧壁的问题，实现了近乎被动的快速下沉熔化，功率密度高达1,100 kW m⁻³。

2、实现了不牺牲能量密度的性能跨越

本文开发的方法不改变PCM本体成分，避免了传统填料导致的相变焓损失，同时其脉冲加热层仅需消耗总储热量约0.4%的微小能量，实现了能量密度与功率密度的双重提升。

技术细节

sCCM的实现机制与表面设计

本研究的核心在于通过界面工程构建滑移增强近接触熔化（sCCM）脉冲加热层（PH）类液滑移表面（LLS）亚纳米级的极低粗糙度（Ra ≈ 0.67nm）无阻碍地下沉，始终与底部的加热边界保持“近接触”状态。实验显示，对于四十四烷PCM，sCCM将总充电时间从传统的约30分钟大幅缩短至3分钟以内。即使在底部密封、熔化液态PCM被迫向上流动的极端封闭条件下，sCCM依然展现出显著的传热强化效果。

图  相变热电池的快速充电

热阻与功率密度的理论模型

为了从物理本质上解释滑移边界的强化机制，作者建立了sCCM物理模型并推导出描述固体余高随时间变化的非线性微分方程。通过构建并联热阻网络，研究定量分析了底部、顶部及侧壁各个传热界面的贡献。理论计算表明，sCCM的等效热阻仅为传统无滑移近接触熔化（cCCM）的一半，且比纯导热模式（COND）低一个数量级。在传统熔化过程中，热阻会随相界面远离热源而显著增大（遵循或的增长规律），导致充电后期效率极低。相比之下，sCCM在绝大部分充电时间内能维持恒定且极薄的液膜（40μm），使得近接触热阻保持恒定。这一特性确保了原型机在整个充电周期内能持续输出超过1,100 kW m⁻³的极高功率密度，有效解决了储热装置“功率随时间剧烈衰减”的行业痛点。此外，通过无量纲参数分析，研究还揭示了容器几何尺寸（如半径比）对功率密度的影响，为大尺寸热电池的优化设计提供了理论指导。

图  支持sCCM的快速充电过程

图  sCCM的流动和热分析

电池性能与循环稳定性评估

在系统级评估中，研究利用Ragone图对比了sCCM与现有各类强化技术（如金属泡沫、翅片、复合PCM等）的性能。结果显示，基于sCCM的热电池在保持高能量密度的同时，功率密度处于世界领先水平：纯四十四烷PCM的功率密度可达1,100 ± 2% kW m⁻³。与传统添加高导热填料（如石墨烯）的方法不同，sCCM无需占据PCM体积，因此完全没有潜热损失，其等效导热系数较原始PCM提升了30倍。在耐用性方面，系统通过了50次完整充放电循环测试，功率波动的标准差低于4%，且LLS涂层表现出良好的机械强度和抗磨损性能。线性预测表明，系统在200次循环后仍能保持80%以上的初始性能。此外，该策略展现了强大的材料兼容性，在熔点超过100°C的高温PCM（如赤藓糖醇）测试中，sCCM同样成功将启动CCM的时间提前，显著提升了高温储热系统的响应速度。这种兼顾高功率、高能量密度与长寿命的特性，使其在可再生能源存储和废热回收领域极具应用潜力。

图  支持sCCM的热电池的性能

展望

本研究通过巧妙的界面工程，提出了sCCM这一颠覆性的储热强化策略。该策略通过脉冲预熔与滑移界面的结合，攻克了相变热电池中“高导热必然导致低能量密度”的长期权衡难题，实现了创纪录的超高充电功率。其被动式的运行逻辑、优异的材料兼容性和循环稳定性，为大规模可再生能源存储、工业废热回收以及电子设备热管理提供了极具商业应用潜力的技术方案。

参考文献：

Li, ZR., Hu, N., Wang, ZB. et al. Pulse heating and slip enhance charging of phase-change thermal batteries. Nature 649, 360–365 (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09877-0

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