CaO-蛭石复合材料的储热性能优化与高温热能升级机制研究

　　本研究针对纯CaO/Ca(OH)2 体系在高温储热应用中存在的体积膨胀和结构失稳问题，通过开发蛭石-CaO复合材料，系统探究了1-5 bar蒸汽压力下材料的反应动力学、结构完整性和储热特性。研究发现，3 bar压力下复合材料可将体积膨胀率控制在15%以内，同时实现80%的稳定水合转化率，为高温热化学储能(TCES)和化学热泵(CHP)应用提供了创新解决方案。

　　

随着全球碳中和目标的推进，可再生能源的间歇性问题使得高效储能技术成为研究热点。热化学储能(TCES)因其高能量密度和长周期存储优势备受关注，其中CaO/Ca(OH)₂
体系凭借104.4 kJ/mol的反应焓和低成本特性成为理想候选。然而，纯CaO粉末在工业应用中面临体积膨胀达173%的致命缺陷，导致反应床堵塞和性能衰减。同时，该体系通过高压蒸汽水合实现热能升级的潜力尚未充分挖掘，特别是复合材料的压力依赖性研究存在空白。

针对这些挑战，国内某研究团队在《Journal of Energy Storage》发表了创新性研究。通过设计蛭石-CaO复合材料（CaO含量50-75%），在1-5 bar蒸汽压力下系统考察了其水合放热特性。研究采用不锈钢反应器配合精密蒸汽控制系统，结合宏观尺寸分析和SEM显微表征，揭示了压力-温度平衡关系（通过Clausius-Clapeyron方程修正）、体积膨胀率（V_α
）和能量密度（E_m
/E_V
）等关键参数。

3.1 实验可靠性验证
温度分布分析显示，复合材料在5 bar压力下中心温度达605.2°C，超过热力学平衡温度，验证了高压对反应动力学的增强作用。与纯CaO相比，蛭石的层状结构使床层膨胀率降至4.2-13.8%。

3.2 高压热升级效应
压力从1 bar升至3 bar使峰值温度提升140°C，但3-5 bar仅增加30°C，符合lnP-1/T指数关系。65:35质量比的复合材料反应速率最快（77s达峰值），表明蛭石优化了蒸汽渗透性。

3.3 结构稳定性突破
SEM显示蛭石的多层结构为CaO提供锚定位点（图9），循环后仍保持结构完整。这与SiO₂
涂层方案形成对比，后者可能引发副反应而蛭石无此风险。

3.4 储能性能优化
所有组分在3-5 bar下均实现约80%水合转化率。尽管蛭石降低了质量能量密度（50:50组为729.4 kJ/kg），但65:35组分通过提升堆积密度使体积能量密度达2.84×10⁶
kJ/m³
，优于纯CaO系统。

该研究首次证实蛭石-CaO复合材料在高压下的协同效应：蛭石的拓扑约束作用抑制体积膨胀，而高压蒸汽既提升反应温度又加速动力学。研究者建议未来集成管式换热器或气-汽混合传热系统，以推动该技术向工业应用转化。这项工作为开发基于工业废热的高温（>500°C）储能系统提供了材料设计范式，同时为化学热泵(CHP)的温度升级策略奠定了实验基础。