综述：仿生设计在相变储能技术中的应用：材料、结构与系统

《Journal of Energy Storage》：Applications of biomimetic design in phase change energy storage technology: Materials, structures, and systems

相变热存储材料通过仿生学策略优化性能，重点利用植物输导系统、昆虫翅膀和海洋生物骨骼结构设计多孔框架和表面仿生结构，提升热导率与结构稳定性，同时抑制泄漏。

　　

Junkui Niu|Pengcheng Tang|Binbin Wang|Jinhao Liu|Tong Xiao

中国水利水电研究研究院 Yinshanbeilu 草原生态水文国家观测与研究站，北京，100038，中国

摘要

相变热存储技术具有高能量密度和近似等温的特性，使其在应用中具有很高的价值。然而，固液相变材料面临两个主要限制：泄漏风险和低热导率。本文综述了应用仿生策略优化相变材料和热存储设备的进展。分析了各种合成技术的原理和特点，包括生物模板方法、多巴胺仿生策略、基于细胞结构的胶囊以及多孔仿生框架。这些策略展示了自然结构和功能原理如何解决相变材料的不足。分层结构设计和表面仿生模拟实现了热导率、结构稳定性和功能性的协同优化。在设备层面，仿生动物和植物结构以及拓扑优化技术提高了相变热存储系统的传热效率和能量利用率。多层次结构-功能元素的整合为高性能相变热存储系统的发展提供了技术基础。

引言

全球工业化加剧了能源消耗和化石燃料的枯竭[[1], [2], [3]]，同时加剧了温室气体排放和气候变化[4,5]。作为回应，清洁和低碳的可再生能源已成为全球能源供应的重要组成部分[[6], [7], [8]]。然而，可再生能源的间歇性和可变性与人类的稳定能源需求之间存在不匹配。这一根本性挑战仍然是广泛采用可再生能源的主要障碍[9,10]。

储能技术有助于平衡不同时空下可再生能源的供需[11]。在多种储能方法中，热能存储（TES）因其成本效益和技术成熟度而受到广泛关注，尤其是考虑到热能占全球能源最终使用的主要形式[12]。相变热存储作为一种有前景的技术，通过相变过程中的潜热提供高密度、近似等温的能源存储[13], [14], [15], [16]]。与传统显热存储方法相比，该技术具有许多优势，包括更高的能量密度、更小的温度波动范围和更宽的温度应用范围[17,18]。这些特点使其在建筑节能[[19], [20], [21]]、智能热管理[[22], [23], [24], [25]]、工业废热回收[26,27]等领域具有特别的应用潜力。然而，固液相变材料（PCMs）存在液体泄漏、固有刚性和低热导率的问题[28,29, [30,31]。泄漏问题和单纯热存储功能的局限性成为阻碍先进TES系统长期热稳定性和多功能性进一步提升的重要瓶颈。

面对PCMs的诸多限制和挑战，研究人员开发了多种策略来提高其性能。常见的方法包括真空浸渍、直接混合、化学接枝、电纺和微胶囊化[32]。然而，这些方法也各自面临一些挑战。例如，浸渍方法通过将PCMs嵌入多孔框架中形成复合材料来提高性能，但高度依赖于框架的孔结构，且常常封装效率较低[33]。直接混合可能导致PCMs分散不均，并在反复热循环后发生相分离[34]。化学接枝涉及复杂的合成过程，可能会产生有毒副产物[35]。电纺需要大量有机溶剂，带来环境和成本问题[36]，而微胶囊化则常遇到乳化剂残留和外壳不稳定的问题[37]。此外，尽管添加纳米添加剂或附着翅片等方法可以提高材料的热导率，但会不利地影响能量存储密度，并无法有效防止PCMs在微观层面的泄漏和变形[38]。鉴于这些传统方法的局限性，研究人员开始探索自然界的替代解决方案。自然界在数十亿年的进化过程中形成了复杂的结构和机制，这些生物系统为解决工程问题提供了宝贵的见解[39,40]。生物体进化出了适应各种环境压力的出色结构和性能系统[41], [42], [43]，为PCMs的性能突破提供了新的概念框架。

受自然界的启发，仿生材料科学作为一个跨学科领域应运而生，整合了化学、生物学、物理学和材料科学[44], [45], [46]]。该领域通过深入分析生物特性和功能原理来设计和开发新型多功能材料（图1）。仿生策略在PCMs领域提供了独特的解决方案。研究人员通过模仿自然界中的生物结构（如植物中的分层传输系统、昆虫翅膀的轻质坚固框架以及海洋生物的多孔骨骼结构）提高了PCMs的性能。参考植物精确的水分传输网络设计的三维导热框架在PCMs内部建立了热传输通道，从而提高了热导率。受细胞微结构启发的封装技术有效限制了相变过程中的泄漏和体积膨胀问题。基于蜂巢结构的框架为PCMs提供了出色的形状稳定性。此外，模仿贝壳层状结构的梯度复合设计策略同时提高了PCMs的热效率和机械性能，实现了多个性能参数的协同优化。

此外，生物传热网络和热管理策略为集成TES和热交换系统提供了仿生设计原理[47,48]。例如，哺乳动物的循环系统通过分层血管网络高效地传输和分配热量；植物的叶脉结构在消耗最少材料的情况下实现了最大的质量和热传递效率；而蜘蛛网和蜂窝结构则展示了最佳的机械稳定性和热传递性能[49], [50], [51]]。自然结构为TES设备、交换管道和翅片的设计提供了更好的灵感。这些仿生设计提高了传热效率、温度均匀性和能量效率，超越了传统几何形状的局限。仿生设计的TES和热交换设备是对材料层面改性的有机补充，为PCMs的性能突破提供了全面的解决方案。

本文系统回顾了仿生策略在PCMs和TES设备中的应用进展。首先，从材料合成的角度全面分析了典型制备方法的原理和特点，包括生物模板方法、多巴胺仿生策略、基于细胞结构的PCM胶囊以及多孔仿生框架。其次，探讨了分层结构设计和表面仿生模拟在调节PCMs热导率、结构稳定性和散热效率方面的关键作用。最后，在设备系统层面，阐明了动物启发结构、植物启发结构和拓扑优化仿生结构在相变热存储设备中的应用和性能提升机制。尽管这些仿生策略看似多样，但它们都遵循三个基本设计原则：(i) 通过分层结构工程优化热/质量传输路径；(ii) 调节界面相互作用和表面性质以实现所需的相变行为和增强兼容性；(iii) 从分子到宏观层面的多尺度结构元素的协同整合。这些原则构成了理解某些自然结构在热管理方面卓越表现的理论框架。本综述旨在深入分析仿生设计对相变热存储技术的促进作用，为下一代高性能、多功能PCMs的开发提供系统的理论指导和技术参考。

部分摘录

生物模板方法

生物模板方法利用自然界生物材料特有的微观结构作为模板，通过一系列物理化学过程将其转化为具有类似结构的功能性材料[52,53]。该方法在保持自然微观结构完整的同时改变化学组成，以创造新的功能[54], [55], [56]]。在PCMs领域，生物模板方法主要用于

PCM设备中的仿生原理

自然界中植物和动物中的高效传热结构不仅促进了材料的改进，还为TES设备的结构优化提供了新的方法，例如模仿生物循环系统的热交换管道布局、仿生翅片配置和集成设计。这些优化通过创建高效的热传输网络，显著提高了热存储和释放速率、温度均匀性和能量

结论

本文分析了改进PCM性能和提升热存储设备效率的仿生策略的研究进展。仿生原理已应用于材料合成、结构设计和相变热存储技术的系统集成，展示了显著的性能提升效果。通过模拟自然界的结构和功能机制，解决了PCMs中的低热导率、液体泄漏和体积变化等问题

作者贡献声明

Junkui Niu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。Pengcheng Tang：撰写 – 原稿，正式分析，数据管理。Binbin Wang：撰写 – 原稿，方法论，研究。Jinhao Liu：数据管理，概念化。Tong Xiao：撰写 – 原稿，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

资助：本工作得到了中国水利水电研究研究院基础研究业务专项项目的支持[MKNG2025JK002]。