Phasenwechselmaterialien (PCMs) sind eine Klasse von Materialien, die während eines Phasenwechsels eine große Energiemenge (d. h. Phasenwechselenthalpie) absorbieren oder abgeben können. Da PCMs latente Wärme zur Energiespeicherung nutzen, verfügen sie über eine hohe Wärmespeicherdichte, kompakte Wärmespeichergeräte und ihre Temperatur bleibt während des Phasenwechselprozesses im Wesentlichen konstant, was sie einfach zu handhaben macht. Mit dem zunehmenden weltweiten Bewusstsein für Energieeinsparung hat diese Eigenschaft von PCMs die Aufmerksamkeit von Forschern auf sich gezogen, und die Phasenwechsel-Wärmeenergiespeichertechnologie glänzt zunehmend im Bereich der Energiespeicherung.
I. Einführung in die Eigenschaften der Materialtechnologie
Im Großen und Ganzen umfasst die thermische Energiespeichertechnologie sowohl thermische als auch kalte Energiespeichertechnologien. Die Speichertechnologie für thermische Energie umfasst die Speicherung sensibler thermischer Energie und die Speicherung thermischer Energie mit Phasenwechsel. Bei der sensiblen thermischen Energiespeicherung wird die spezifische Wärmekapazität des Materials selbst genutzt, um thermische Energie zu speichern/abzugeben, während bei der Phasenwechsel-Wärmeenergiespeicherung der Energieumwandlungsprozess der Wärmeabsorption/-abgabe während des Phasenwechsels von Phasenwechselmaterialien (PCMs) zur Speicherung/Freisetzung von thermischer Energie genutzt wird. Phasenwechsel-Wärmeenergiespeichermaterialien bieten Vorteile wie eine hohe Wärmespeicherdichte und geringe Temperaturänderungen während des Ladens und Freigebens von Wärme, was bei Wissenschaftlern im In- und Ausland große Aufmerksamkeit erregt. Derzeit umfassen Phasenwechsel-Energiespeichermaterialien hauptsächlich organische, geschmolzene Salz-, Legierungs- und Verbundmaterialien. Es gibt hauptsächlich vier Arten von Phasenwechselformen: fest-fest, fest-flüssig, fest-gas und flüssig-gas.
Ein ideales festes-flüssiges Phasenwechselmaterial sollte die folgenden Eigenschaften besitzen:
(1) Hohe latente Schmelzwärme, die es ermöglicht, während des Phasenwechsels eine erhebliche Wärmemenge zu speichern oder abzugeben;
(2) Geeignete Phasenwechseltemperatur zur Erfüllung der Anforderungen;
(3) Gute Reversibilität des festen -flüssigen Phasenwechsels, wodurch Überkühlung oder Überhitzung minimiert werden;
(4) Hohe Wärmeleitfähigkeit zwischen der festen und flüssigen Phase;
(5) Minimale Expansion und Kontraktion während des Fest--Flüssigkeitsphasenwechselprozesses;
(6) Hohe Dichte und spezifische Wärmekapazität;
(7) Un-giftig und nicht-ätzend;
(8) Niedrige Kosten und einfache Herstellung.
Im Vergleich zu festen-flüssigen Phasenwechselmaterialien haben feste-feste Phasenwechselmaterialien viele Vorteile. Feste-feste Phasenwechselmaterialien (SCTs) können direkt verarbeitet und geformt werden, ohne dass Behälter erforderlich sind; Sie haben einen kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten, was zu einer minimalen Volumenänderung während des Phasenübergangs führt. Sie weisen keine Unterkühlung oder Phasentrennung auf, wodurch die Notwendigkeit von Anti---Unterkühlungsmitteln und Anti---Phasentrennungsmitteln entfällt. sie weisen eine sehr geringe Toxizität und minimale Korrosivität auf; sie sind leckagefrei und belasten die Umwelt nicht; Sie haben eine stabile Zusammensetzung, eine gute Reversibilität des Phasenwechsels und eine lange Lebensdauer. und ihre Geräte sind einfach und leicht zu bedienen. Die Hauptnachteile von SCTs sind ihre geringe latente Phasenänderungswärme und ihr hoher Preis. Flüssige -Gas- und feste -Gas-Phasenwechselmaterialien führen aufgrund der Anwesenheit einer großen Gasmenge während des Phasenübergangs zu erheblichen Volumenänderungen und werden daher trotz ihrer großen Phasenänderungswärme in praktischen Anwendungen selten ausgewählt.
II. Anwendungsgebiete von Phasenwechselmaterialien
Die Entwicklung von Phasenwechsel-Energiespeichermaterialien ist nach und nach in die praktische Anwendungsphase eingetreten und wird hauptsächlich zur Steuerung von Reaktionstemperaturen, zur Nutzung von Sonnenenergie und zur Speicherung von Abwärme aus industriellen Reaktionen eingesetzt. Niedertemperatur-Energiespeicher werden hauptsächlich für die Abwärmerückgewinnung, die Speicherung von Solarenergie sowie für Heizungs- und Klimaanlagen verwendet. Hochtemperatur-Energiespeicher werden in Wärmekraftmaschinen, Solarkraftwerken, magnetohydrodynamischer Stromerzeugung und künstlichen Satelliten verwendet. Durch das Einspritzen dieser Materialien in Textilien kann leichte Kleidung mit hervorragender Wärmeisolierung entstehen. Sie können auch zur Herstellung von Isolierbechern verwendet werden, die die Wärme länger speichern als gewöhnliche Keramikbecher. Asphalt- oder Zementdecken, die dieses Phasenwechselmaterial enthalten, können die Vereisung von Straßen und Brücken verhindern. Daher hat es breite Anwendungsaussichten in den Bereichen technische Isoliermaterialien, Medizin- und Gesundheitsprodukte, Luft- und Raumfahrtausrüstung, militärische Aufklärung und Dinge des täglichen Bedarfs.
(I) Anwendung von Phasenwechselmaterialien in der pharmazeutischen Industrie Viele medizinische elektronische Therapiegeräte erfordern einen Betrieb bei konstanter Temperatur, was die Verwendung von temperaturgesteuerten Wärmespeichermaterialien erfordert, um die Temperatur zu regulieren und sicherzustellen, dass die Instrumente innerhalb zulässiger Grenzen arbeiten. Ein japanisches Patent berichtet über die Verwendung einer Mischung aus NaSO4·10H2O und MgSO4·7H2O als Phasenwechselmaterial zur Temperaturkontrolle in Instrumentenräumen, um eine Raumtemperatur von etwa 25 Grad aufrechtzuerhalten. Spezielle Instrumente können auch in Wärmepackungen aus Phasenwechselmaterialien eingehüllt werden, um ihre Betriebstemperatur aufrechtzuerhalten. In den letzten Jahren ist auf dem heimischen Markt eine Art Wärmepackung entstanden. Sein Phasenwechselmaterial ist ein hydratisiertes Salz mit einer Phasenwechseltemperatur von etwa 55 Grad. Als Keimbildungskeimmaterial wird ein Metallblech verwendet; Wenn das Metallblech zusammengedrückt wird, wird seine Oberfläche zu einem Kristallwachstumszentrum, was zu einer exothermen Kristallisation führt. In Kombination mit bestimmten Beuteln der traditionellen chinesischen Medizin, die die Durchblutung fördern, erzielt es eine therapeutische Wirkung und zeigt eine gewisse Wirksamkeit bei der Behandlung von Krankheiten wie rheumatoider Arthritis.
(II) Anwendung von Phasenwechselmaterialien in der Datenspeicherung
PCM ist ein leistungsstarker, nicht-flüchtiger Speicher auf Basis von Chalkogenidglas. Diese Verbindung hat eine entscheidende Eigenschaft: Ihr Widerstand ändert sich, wenn sie von einer Phase in eine andere übergeht. Die kristalline Phase des Materials ist eine Phase mit niedrigem Widerstand, während die amorphe Phase eine Phase mit hohem Widerstand ist. Phasenübergänge werden durch Anlegen oder Entfernen von Strom erreicht. Im Gegensatz zu herkömmlichem NAND-basierten nicht-flüchtigen Speicher können PCM-Geräte praktisch unbegrenzte Schreibvorgänge ausführen. Darüber hinaus bieten PCM-Geräte Vorteile wie kurze Reaktionszeiten beim Zugriff, Byte-Adressierbarkeit und zufällige Lese-/Schreibfähigkeiten, was sie zu einer von vielen Speichertechnologien macht, die als „zukunftsweisende“ Technologie angepriesen werden.
Im Jahr 2017 gelang einem Forschungsteam unter der Leitung von Song Zhitang, Direktor des Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, ein großer Durchbruch bei neuartigen Phase-{1}Change-Memory-Materialien (PCM). Sie schlugen innovativ ein Designkonzept für Hochgeschwindigkeits-PCM-Materialien vor, nämlich die Erzielung einer Hochgeschwindigkeitskristallisation von PCM-Materialien durch Reduzierung der Zufälligkeit der Keimbildung innerhalb amorpher PCM-Filme. Mithilfe eines 0,13-µm--CMOS-Prozesses erreichten Sc-Sb-Te--basierte PCM-Geräte schnelle, reversible Schreib--Löschvorgänge von 700 Pikosekunden mit einer Zykluslebensdauer von mehr als 10⁷ Zyklen. Im Vergleich zu herkömmlichen Ge-Sb-Te-Geräten wurde ihr Stromverbrauch um 90 % reduziert, während eine vergleichbare Datenspeicherung über zehn Jahre aufrechterhalten wurde. Im Jahr 2018 begann der Speicherchiphersteller SK Hynix mit der Produktion von PCM-basierten 3D-Crosspoint-Speichern. SK erklärte, dass diese 3D-Crosspoint-Speicherzelle, die in SCM verwendet wird, aus PCM-Materialien auf Sulfid--Basis besteht. Kürzlich haben Untersuchungen von IBM gezeigt, dass maschinelle Lernfähigkeiten durch den Einsatz analoger Chips auf PCM-Basis um das Tausendfache beschleunigt werden können. Ein IBM-Blog enthüllte, dass IBM ein Forschungszentrum einrichtet, um KI-Hardware der nächsten Generation zu entwickeln und das Anwendungspotenzial von PCM-Speicher im KI-Bereich zu untersuchen.
