能“锁住” 温度的相变材料，让冬暖夏凉不再是奢望？

来源：科普中国

冬天室内冷得像冰窖，夏天热得像蒸笼，空调、暖气开足马力，却依然要忍受温度的剧烈波动，还要承担高额的电费和燃气费，这是很多家庭都面临的困扰。而有一种神奇的材料，能像“温度电池” 一样，在温度升高时吸收热量，温度降低时释放热量，自动调节环境温度，让室内始终保持在舒适的区间，它就是相变储能材料。这种能“锁住” 温度的神奇材料，正在彻底改变我们的温控方式，从建筑节能、新能源汽车，到电子设备、航空航天，它的身影无处不在，被誉为“21 世纪温控领域的核心新材料”。

很多人会好奇，相变材料到底是什么？它为什么能精准地“锁住” 和释放热量？相变储能材料，简称相变材料，是一种能在特定的温度下，发生物态变化（也就是相变），同时吸收或释放大量潜热的功能材料。我们都知道，物质有固态、液态、气态三种状态，物质从一种状态转变为另一种状态的过程，就是相变，比如冰融化成水、水蒸发成水蒸气，都是相变过程。

而相变材料的核心魔力，就藏在相变过程中的潜热里。举个最直观的例子：1 公斤 0℃的冰，融化成 0℃的水，需要吸收 334 千焦的热量，这些热量就是相变潜热；反过来，1 公斤 0℃的水，凝固成 0℃的冰，会释放出同样多的热量。而 1 公斤的水，温度每升高 1℃，只能吸收 4.2 千焦的热量，也就是说，冰融化吸收的潜热，相当于把同等质量的水从 0℃加热到 80℃所需的热量。相变材料就是利用这个原理，在相变过程中，实现大量热量的储存和释放，从而达到控温、储能的效果。

根据相变方式的不同，相变材料主要分为四大类：固 - 液相变材料、固 - 固相变材料、固 - 气相变材料、液 - 气相变材料，其中应用最广泛、技术最成熟的，是固 - 液相变材料。固 - 液相变材料在温度升高时，从固态熔化为液态，吸收大量热量；当温度降低时，从液态凝固为固态，释放出储存的热量，整个过程温度几乎保持恒定，能精准地控制环境温度在相变点附近，完美适配我们的温控需求。

根据化学成分的不同，固 - 液相变材料又主要分为有机相变材料和无机相变材料两大类。有机相变材料，主要包括石蜡类、脂肪酸类、多元醇类等，它的核心优势是相变过程稳定，没有过冷和相分离现象，腐蚀性小，性能稳定，使用寿命长，其中石蜡类相变材料是目前应用最广泛的有机相变材料，相变温度范围广，能适配不同的应用场景。无机相变材料，主要包括结晶水合盐类、熔融盐类、金属合金类等，它的核心优势是相变潜热大，导热系数高，价格低廉，阻燃性好，其中结晶水合盐是最常见的无机相变材料，潜热比石蜡类更高，成本更低。

和传统的温控方式相比，相变储能材料有着无可比拟的核心优势，这也是它能在各个领域得到广泛应用的根本原因。首先，相变材料能实现精准的恒温控制，它在相变过程中，温度几乎保持不变，能将环境温度稳定在我们需要的区间内，比如用于建筑的相变材料，相变点通常设置在 20-26℃，也就是人体最舒适的室温区间，能让室内温度始终保持在这个范围，不会出现剧烈的温度波动，真正实现冬暖夏凉。

其次，相变材料的储能密度极高，能在极小的体积和重量内，储存大量的热量，储能效率远超传统的储热方式。比如，石蜡类相变材料的储能密度，能达到 200 千焦 / 公斤以上，是水的 50 倍以上，只需要很少的用量，就能实现极佳的温控效果，不会占用过多的空间，非常适合用于空间有限的场景，比如建筑、新能源汽车、电子设备等。

再次，相变材料的使用寿命极长，相变过程是完全可逆的，能重复循环使用上万次，性能都不会出现明显的衰减，使用寿命能达到 10 年以上，甚至能和建筑的使用寿命一致，一次投入，长期受益，综合性价比极高。同时，相变材料的使用过程中，不需要消耗额外的能源，不需要复杂的设备，完全依靠自身的相变特性实现温控和储能，绿色、环保、节能，能大幅降低空调、暖气的能耗，减少碳排放，完美契合双碳目标的发展方向。

正是这些优异的性能，让相变储能材料在各个领域都展现出了巨大的应用潜力，正在逐步走进我们的日常生活。

在建筑节能领域，相变材料是目前应用最成熟、最广泛的场景，也是实现建筑碳中和的核心技术之一。建筑能耗占到了我国社会总能耗的 30% 以上，其中空调和采暖能耗，占到了建筑能耗的 60% 以上，是节能减排的核心重点。将相变材料添加到建筑材料中，比如石膏板、混凝土、砂浆、保温板、涂料中，制成相变储能建筑材料，能让建筑墙体、天花板、地板，都变成巨大的“温度储能池”。

白天，室外温度升高，室内温度超过相变点时，相变材料会从固态熔化为液态，吸收室内的热量，阻止室内温度升高；晚上，室外温度降低，室内温度低于相变点时，相变材料会从液态凝固为固态，释放出储存的热量，提升室内温度。这样一来，室内的温度波动会大幅减小，始终保持在舒适的区间，能减少 50% 以上的空调和采暖使用时间，大幅降低建筑能耗，同时提升居住的舒适度。比如，在夏季高温地区，使用相变储能建材的建筑，室内最高温度能比普通建筑低 6-8℃，完全不需要白天开空调；在冬季寒冷地区，相变材料能在白天吸收太阳能储存热量，晚上释放出来，提升室内温度，减少暖气的使用。

除了民用住宅，相变储能材料还广泛应用于写字楼、商场、酒店、数据中心等公共建筑。数据中心需要 24 小时保持恒温，空调能耗极高，使用相变储能材料，能在夜间电价低谷时段，利用空调制冷储存冷量，白天电价高峰时段，释放冷量为数据中心降温，能大幅降低制冷能耗和用电成本，实现移峰填谷，缓解电网的供电压力。

在新能源汽车领域，相变储能材料正在成为解决动力电池温控难题的核心方案。动力电池的性能、寿命和安全性，对温度极其敏感，最佳工作温度是 25-40℃，温度过高会引发热失控，导致起火爆炸；温度过低，电池的容量和充放电性能会大幅下降，续航里程严重缩水，这也是新能源汽车冬季续航腰斩的核心原因。

将相变储能材料应用于动力电池的热管理系统中，能完美解决这个难题。当电池充放电过程中温度升高，超过相变点时，相变材料会熔化吸收热量，快速降低电池的温度，防止电池过热，避免热失控的发生；在冬季低温环境下，相变材料能在电池充电时储存热量，放电时释放出来，保持电池的工作温度，提升电池的低温性能，延长续航里程。同时，相变材料的温控是完全被动的，不需要额外的泵、管道等设备，结构简单、体积小、重量轻，能大幅降低电池热管理系统的复杂度和成本，提升电池包的能量密度，是未来动力电池热管理的重要发展方向。

在电子设备领域，相变储能材料能解决高端电子设备的散热难题。随着手机、笔记本电脑、服务器等电子设备的性能越来越强，芯片的功耗和发热量也越来越大，散热已经成为制约设备性能提升的核心瓶颈。将相变材料应用于电子设备的散热系统中，当芯片高负载运行、温度升高时，相变材料能快速吸收热量，控制芯片的温度，避免设备因为过热降频，提升设备的性能稳定性；当芯片低负载运行时，相变材料再缓慢释放热量，实现高效的被动散热，不需要风扇，能让设备做得更轻薄、更安静。

此外，相变储能材料还在冷链物流、航空航天、太阳能利用、工业余热回收等领域，有着广泛的应用。在冷链物流中，相变储能材料制作的保温箱，能在不插电的情况下，长时间保持恒温，解决生鲜、医药的长距离冷链运输难题；在航空航天领域，相变材料能为航天器提供精准的温控，保障航天器的设备在极端的太空温度环境中正常工作；在太阳能利用中，相变材料能储存白天的太阳能热量，晚上释放出来，解决太阳能间歇性、不稳定性的难题，提升太阳能的利用效率。

当然，相变储能材料的大规模应用，依然面临着一些核心挑战。首先，大多数相变材料的导热系数较低，热量的吸收和释放速度较慢，影响了储能和温控的效率，需要通过添加石墨烯、碳纳米管、金属粉末等导热填料，提升材料的导热性能。其次，有机相变材料存在液态泄漏的问题，无机相变材料存在过冷和相分离的问题，会影响材料的使用寿命和性能稳定性，需要通过微胶囊封装、定形改性、成核剂添加等技术，解决这些问题。再次，高性能相变材料的生产成本较高，制约了它在民用领域的大规模普及，需要通过优化制备工艺、扩大生产规模，进一步降低成本。

我国在相变储能材料领域，已经走在了世界前列，国内的科研团队在相变材料的改性、封装、应用技术等方面，取得了多项核心技术突破，研发出了多款高性能的相变储能产品，在建筑节能、新能源汽车、冷链物流等领域实现了规模化应用，打破了国外的技术垄断，形成了完整的国产化产业链。同时，我国也出台了多项政策，推动相变储能材料在建筑节能、双碳领域的应用，为产业的发展提供了有力的政策支持。

从只能依靠空调、暖气调节温度，到用相变材料实现被动式的恒温控制，温控技术的发展，正在朝着更节能、更舒适、更绿色的方向不断迈进。相变储能材料的出现，不仅让冬暖夏凉成为了触手可及的现实，更推动了建筑、新能源、电子等多个领域的节能升级，为双碳目标的实现，提供了重要的技术支撑。未来，随着材料技术的不断成熟、成本的持续下降，相变储能材料一定会走进更多的家庭、更多的领域，用这种能“锁住” 温度的神奇材料，为我们打造更舒适、更节能、更绿色的生活。

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