一、水合盐基热化学材料的开发
水合盐虽具有很高的理论储热密度，但其在脱吸附过程中易发生团聚、结块、液解等现象，从而会降低循环性能和传质效果，限制实际应用。为解决这一问题，本研究以质量储热密度较大的LiOH·H
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O为反应盐，改性的石墨作为多孔基质，基于改进的浸渍法，合成了LiOH/EG固化复合吸附剂材料。通过对合成路径和成分的调控，制备的复合吸附剂导热系数高达6 W·m
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·K
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。表征结果显示，微纳尺度的反应盐晶粒能够均匀地分散在多孔基质的微观孔隙内；对水蒸气的吸附速率相比纯盐明显提升，解吸充热温度也有所降低，100℃即可基本实现完全脱附，储热密度约1100 kJ·kg
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。经连续多次脱/吸附循环，储热密度保有率在90%以上。结合等温吸附和等压吸附测试结果，厘清了脱吸附滞后效应与反应蒸汽压力的关系，基于吸附势理论建立了吸附势和吸附容量的关联式，并采用非等温法推导了复合吸附剂的脱附反应活化能和反应频率因子等反应动力学参数。
图1 固化吸附剂的(a)微观形貌，(b)同步热重测试，(c) 吸附自由能和吸附容量的关系
为进一步改善盐基复合吸附剂的吸附动力学性能和循环稳定性，在上述研究的基础上引入特定的吸湿助剂，采用“强强联合、扬长避短”的策略，构筑了二元盐（主反应盐+吸湿助剂盐）/多孔基质复合的高效热化学吸附剂（LiO
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@EG），通过调控作用，充分发挥各成分的优势。实现了水合盐基复合热化学材料在较低的湿度或蒸汽分压下完成水合反应，且具有释热温度高、储热密度大、循环稳定性好的特点。研究了具有微纳层级结构的复合吸附剂LiO
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@EG在不同释热工况下的吸附特性，阐明了该结构对水合反应过程中的热质传递强化机制，明晰了充热温度、释热温度和蒸汽压力对储热密度的影响，揭示了反应焓随吸附量的演变规律。结合测试结果和理论分析，构建了该复合热化学材料的脱/吸附反应动力学模型，为后续数值研究奠定了基础。
图2 盐基高效吸附剂的充放热特性: （a）等温吸附，（b）摩尔反应焓与含水量关系，（c）充热温度和蒸汽压力对吸附量的影响，（d）释热温度和蒸汽压力对储热密度的影响。
二、水合盐热化学储热模块的热质耦合传递过程
当前水合盐热化学储能研究主要聚焦在储能材料的制备和实验研究，而由于相关数学模型尤其是热化学材料反应动力学模型的缺乏或不完善，使得数值研究受到限制。建立准确的数值模型以预测充放热期间的热质传递和演化过程可以为实验研究提供参考。
本研究以研究内容一为基础，将开发的复合吸附剂作为热化学储热介质，结合建立的反应动力学模型和修正的传热与流动模型，研究了在闭式和开式两种工作模式下，热化学储热模块中耦合传热传质、流体流动和化学反应的充放热特性，采用田口方法对储热模块和充放热条件进行了优化分析。探究了热-质-流-化多物理场随时间的演变过程和储热单元的热性能，以及一些主要参数或运行工况对充放热过程的影响，揭示了过程中的反应转化和能质迁移规律。特别地，对于开式系统，基于“量热度需、热尽其用，温度对口、梯级利用”思想，将不同特性的热化学材料分层布置于填充床，利用其对充热温度和蒸汽湿度敏感性的不同，实现了充放热过程中能质的充分利用，提升了充放热反应转化效率以及放热温度的稳定性。
三、水合盐热化学储热技术应用
1.基于吸附式储热的太阳能建筑围护结构采暖技术
提出了一种结合太阳能光催化和热化学储热系统的被动式建筑围护结构，将复合吸附剂制成块状作为多孔蓄热墙体进行热能的储存与供应。与传统的Trombe墙相比，这种基于吸附式储热的湿度辅助型蓄热墙由于其高能量密度而节省了空间。基于先前的研究基础，对该被动式蓄热墙进行了数值研究。太阳能光催化和吸附式热化学储热技术的结合，可以在有辐照条件下同时实现空气净化和加热。夜间可在湿度作用下将储存的热能提取以实现持续供热。与其他基于显热或潜热储存的被动式太阳能建筑相比，这种建筑围护结构具有更高的太阳能集热效率和储能密度。此外，释热性能如热功率和持续时间等可通过调节空气湿度来控制。围护系统总效率为81.2%，空气平均出口温度大部分时间在30℃以上，适用于空间供暖。还可以根据当地环境和条件，通过优化系统的几何尺寸来调整系统性能。研制的复合吸附剂结合提出的太阳能建筑围护结构是同步实现空气净化和空间加热的有效解决方案。
图7 蓄放热期间环境温度、墙体温度、夹层出口温度与流速的演变
2. 吸附式动力电池热管理策略
研究了一种吸附式电池热管理策略。类比于传统基于相变材料（PCM）的热管理技术，设定将制备的高效复合吸附剂制作成包覆层包裹锂离子电池（LIB），当电池在高倍率放电模式下工作时，多孔吸附剂包层吸收电池内部产生的热量发生脱附反应，由于反应焓相比一般PCM材料的潜热大很多，因此冷却效果更好，相同储热容量条件下所需材料体积和重量小，这对体积和重量有严格要求的动力电池热管理系统（BTMS）具有重要意义。另外，在寒冷时节，吸附剂包层可通过吸附外界环境中的水分发生水合反应以实现电池的自预热。由于脱附反应速率受到温度的影响，因此在不同倍率工作模式下，吸附剂包覆层可根据电池温度的变化表现出自适应的散热能力，其冷却功率高出基于PCM的热管理系统数倍。更重要的是，该吸附式BTMS可通过将蒸汽解吸到空气中和从空气中吸附蒸汽以自动在冷却和预热模式之间切换，而无需额外的能量输入。在5℃-55% RH环境下，2分钟内即可将电池预热升温11℃左右。研究结果有助于预测吸附式BTMS的温度演化和能量转换行为，并为这种新型BTMS的设计提供指导。
图8 5C放电条件下控温效果：（a）放电深度0.8时电池组温度和吸附剂包覆层的脱附转化率，（b）电池组平均温度的变化
图9 不同放电倍率下控温效果和冷环境条件下的预热效果
