[发明专利]一种碳基化学储能材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于储能材料制备技术领域，具体涉及一种碳基化学储能材料及其制备方法。

背景技术

能源和环境是人类赖以生存和社会发展的重要物质基础，是国民经济、国家安全和实现可持续发展的重要基石。随着我国国民经济持续高速发展，化石能源资源短缺，能源结构不合理，环境污染严重等问题日益突出。近年来，国民经济的发展对能源的依存度不断提高，经济发展与能源缺乏之间的矛盾不断加深。为了解决这一矛盾必须重视能源再利用率的提高，其中对生产生活中所产生的低品位废热的再利用问题成为目前科学研究的热点。

低品位废热的再利用问题的解决涉及到低温化学蓄热领域内结晶水合物复合材料的研究。虽然近年来国内学术界围绕着该领域进行了一系列探索。但相比欧洲及日本等地区，其作为新兴学科的应用基础研究发展相对滞后。

结晶水合物化学蓄热技术的主要发展方向是提高其单体水合放热的反应速率，以满足实际工程应用的需要。美国弗吉尼亚理工学院的Balasubramanian等建立了水合盐放热的二维非稳态数学模型，他们认为边界热流密度对蓄热时间的影响是非线性的，所以推荐选择导热系数与比热容较大的材料作为蓄热活性组分。通过对一系列水合物的筛选，发现一水氢氧化锂拥有非常高的蓄热性能，其1440KJ/Kg的储能密度相对于硫酸盐类及硝酸盐类而言优势明显。然而通过对蓄热性能最佳的一水氢氧化锂进一步研究发现，在水合反应中依然存在反应速率过低的问题，其水合120min之后的转化率仅为21％。此种现象表明氢氧化锂在与水蒸气反应时并不能释放出所有的潜在热量，所形成的水合盐表层阻止了水与固体的进一步接触，整个反应体系的循环蓄放热效率被严重拖累。通过对前期研究工作的整理分析，采用蓄热活性组分与载体材料相结合所形成的复合化学蓄热材料，不但能充分利用载体对水的高吸附性，使活性组分与水稳定反应，而且能通过分散蓄热组分的方式提高其表面积来获得较高的反应活性。这样就提高了整体反应体系的循环蓄放热效率，保证了复合化学蓄热材料的优异性能，因此在当今的化学产业界和学术界得到了广泛的应用和关注。

有关的载体选择需要从亲水性；比表面积；热学性质和机械性质四个方面综合考虑。众多碳基材料所复合的化学蓄热材料已经在化学热泵和制冷体系中有所应用，其中以碳纳米管和石墨烯为代表将碳材料作为载体的优势发挥到了极致并作为新型材料在当今纳米科技领域炙手可热。纳米碳载体在提高传热传质性能；优化蓄热循环可靠性和化学稳定性方面都发挥了重要作用。另一方面，研究发现纳米碳载体的分散效应可以使蓄热组分晶体在载体表面形成较小尺寸的颗粒使其对水分子的吸附能力有显著提升。同时当蓄热活性组分尺寸达到纳米量级时，其所具有的体积效应；表面效应以及量子尺寸效应等也使得蓄热组分本身具备了更为优异的反应性能。

上述文献及专利可以看出之前几种化学储能材料的温度适用范围在550K以上；而金属盐类或者金属氢氧化物与结晶水之间的可逆反应在低温(423K以下)就可以发生，这大大拓展了化学储能技术的应用范围。由于该蓄热过程的反应条件温和，其在安全性上展现出极大的优势。同时针对其存在的单体反应速率过低的问题。通过多孔亲水材料与蓄热活性组分的复合，不仅能提高蓄热组分比表面积来获得高的反应活性，而且合适的载体所制备具有小尺寸和特定形态的结构对于传质传热效率的提高具有极大重要的意义。本发明针对目前国际上高度关注的纳米碳化学蓄热复合材料，设计并实践可行的理论研究方法，提供了一种碳基化学储能材料及其制备方法。

发明内容

本发明提供了一种碳基化学储能材料及其制备方法，这种储能材料主要由Ni骨架；CNTs；LiOH-H₂O三种组分构成。其中LiOH-H₂O的添加比例定为20％；30％；50％。统一水合时间定为2小时。同时发现不同制备方法制成的复合储能材料其总体蓄热性能也会产生较大差异。本发明主要通过控制粒径与形貌的思路，选取了3种制备方案，将Ni金属骨架；CNTs；LiOH-H₂O三种组分以不同方式复合在一起。以期通过一系列探索找出总体的循环反应损耗低，活性组分在载体中分散性好，以及具有一定的机械和热力学稳定性的制备方案。本发明的碳基化学储能材料是一种直接用于低温废热储存的化学储能材料，同时其制备方法也适用于其他类型的储能材料的制备。

本发明通过以下技术方案实现。

一种碳基化学储能材料，该材料由碳基载体材料和LiOH-H₂O组成。