基于金属在熔盐中的溶解强化熔盐比热容机理研究

High-performance energy storage technology is a strategic energy technology that supports the sustainable development of China's national economy. The development of high-efficiency heat transfer and heat storage materials is a major demand put forward by the low-cost and large-scale utilization technology of renewable energy. This project intends to study the metal/molten salt material formed by dissolving metal in molten salt, and systematically study the dissolution behavior of metal in molten salt and the mechanism of heat capacity enhancement. The methods of isothermal saturation, mass difference subtraction, molecular dynamics and phase field simulation were combined with to study the dynamic dissolution process of metal in molten salt and the influence on the microstructure of molten salt. The quantitative relationship between the structure and the content and the specific heat capacity enhancement effect, clarify the dissolution behavior of the metal in the molten salt, reveal the strengthening mechanism of the metal nanoparticles to the specific heat capacity of the molten salt, and propose a new method to enhance the heat storage performance of the molten salt material. It lays a theoretical and technical foundation for the controllable design and preparation of low-cost, high-performance molten salt heat transfer and heat storage materials.

高效储能技术是支撑我国国民经济可持续发展的战略性能源技术，发展高效传热蓄热材料是可再生能源低成本规模化利用技术提出的重大需求。本项目拟以金属在熔盐中溶解形成的金属/熔盐材料为研究对象，对金属在熔盐中溶解行为及对比热容强化机理开展系统研究。采用等温饱合法、质量差减法、分子动力学和相场模拟等实验与数值模拟相结合的手段，研究金属在熔盐中的动态溶解过程及对熔盐微观结构的影响，建立金属微粒种类、结构以及含量等因素与比热容强化效果之间的定量关系，阐明金属在熔盐中的溶解行为，揭示金属纳米微粒对熔盐比热容的强化机理，提出强化熔盐材料传蓄热性能的新方法，为低成本、高性能熔盐传热蓄热材料的可控设计与制备奠定理论和技术基础。

我国拥有丰富的盐湖资源，利用盐湖尾矿熔盐作为中高温传热蓄热材料，在余热回收、太阳能热利用和工业制氢等诸多领域具有广阔的应用前景。本项目采用溶解法将金属或金属氧化物均匀分散于高温液相熔盐中制备金属/熔盐复合相变储热材料，以解决工业应用过程中低比热和导热的瓶颈性问题。本项目的主要研究内容及取得的关键性结论有：（1）常见金属表面与熔盐的相互作用能及迁移扩散能力。铝、镍、铜和铂四种金属（1 0 0）表面与同种熔盐的相互作用能和在其中的扩散能力排序为：Ni>Cu>Pt>Al。（2）镁金属在熔盐中溶解的本质。镁在熔盐中溶解时存在边界层，边界层的厚度取决于熔盐的流速，溶解行为是由传质和传热共同决定的。（3）纳米颗粒掺杂对体系能量的影响。体系的总能量、动能和势能均随温度升高而逐渐增大。总能量随纳米颗粒掺杂量的增加显著提高，体系中动能对热物性的影响较弱，而势能则对热物性变化起着决定性作用。（4）金属在熔盐中的溶解对熔盐热物性的影响。在熔盐中掺杂纳米颗粒后，熔盐纳米流体的密度随温度的升高而线性降低，定压比热容增加，粘度和热导率均随温度的升高而降低，随纳米颗粒掺杂量的增加而增加。（5）微结构对热物性强化的影响机制。纳米颗粒掺杂量和温度对离子间缔合作用的影响存在竞争关系，当温度较低时，纳米颗粒的掺杂对阴阳离子间缔合作用的增强效果优于温度对其的削弱效果，但随温度的升高，纳米颗粒掺杂导致的粘度的增强效果逐渐减弱。纳米颗粒掺杂量与温度的竞争关系趋于平缓，宏观表现为粘度趋于一致。但对热导率而言，纳米流体中静电库仑力是热导率增强的原因。项目成果为强化熔盐相变材料的热物性能提供了新的理论和技术，为促进其规模化应用打下基础。