基于矿渣的水合盐复合材料用于热化学储能：制备、表征与性能研究

《Journal of Energy Storage》：Slag-based hydrated salt composites for thermochemical energy storage: Preparation, characterization and performance

云南铁矿石渣制备的SP-CP/MgCl?多孔复合材料中温储热性能优异，吸附容量达0.323 g/g（比CaCl?系统高30.8%），能量密度764.35 J/g（比传统沸石体系高34%），成本仅42.2%。经10次循环后仍保持80%以上稳定性能，为工业固废资源化利用提供新方案。

　　

李无岩|钟超林|刘淑丽|高亚峰|王璐|邓世汉|王志浩

中国云南省教育厅人工环境低碳与智能建筑重点实验室，昆明理工大学土木工程与力学学院，昆明，650500

摘要

近年来，大宗固体废物的回收再利用以及新型且廉价的储能材料已成为研究热点。本研究提出了一种利用工业固体废渣制备中温储能材料的方案，并对其储能性能进行了实验研究。以云南铁矿石废渣为主要原料，制备了一种多孔基质——渣粉-水泥浆（SP-CP）。该基质进一步与CaCl₂/MgCl₂水合盐结合使用。通过控制盐的浸渍浓度，并结合扫描电子显微镜（SEM）、动态蒸汽吸附分析（DVS）和同时热分析（STA）等表征技术，研究了多孔结构对材料吸湿特性和储能密度的影响。实验结果表明：在吸附能力方面，SP-CP的多孔结构显著提升了水合盐的负载能力，其中MgCl₂复合材料（SP-CP35/Mg）的吸附量达到了0.323 g/g，比相同浓度的CaCl₂体系高出30.8%；与传统的沸石/MgCl₂热储能材料相比，SP-CP35/Mg的吸附能力提高了约1.34倍。SP-CP35/Mg的储能密度为764.35 J/g，比传统材料高18%，且原材料成本仅为后者的42.2%。此外，在经过10次吸附/解吸循环后，SP-CP/35 Mg的储能密度仍保持在0.8左右，显示出优异的稳定性。这种基于工业副产品的设计建立了一种经济性更优的热化学储能（TCES）系统，并验证了其稳定性。

符号说明

符号解释

$V$	体积，cm3
m	质量，g
W	吸附容量，g/g
Pr	成本，$/kg

缩写说明

普通波特兰水泥羧甲基纤维素汞侵入孔隙率法吸附容量粒化高炉矿渣扫描电子显微镜相对湿度热化学储能

BET	布鲁纳-埃梅特-特勒（Brunauer-Emmett-Teller）
XRD	X射线衍射
DSC	差示扫描量热法
TES	热能储存
XRF	X射线荧光
ESD	储能密度
TCMs	热化学材料
OPC
CMC
MIP
AC
GBFS
SEM
RH
TCES
TG

实验与方法

本章概述了复合热化学储能材料的系统设计与制备过程，包括渣粉-水泥浆（SP–CP）多孔基质的制备、水合盐（MgCl₂/CaCl₂）的真空浸渍以及对其结构和热化学性质的表征。实验步骤如下所述。

结果与讨论

本节系统地分析了基于渣基复合材料的结构、吸湿性、热性能和循环性能，以评估其作为热化学储能材料的适用性。主要研究结果如下。

结论

本研究开发了一种新型的渣基水合盐复合材料用于热化学储能。通过实验表征评估了该材料的吸水能力和储能性能，结果表明其具有较高的吸湿量和储能密度。主要结论如下：

(1) SP-CP基质与水合盐之间的相互作用是纯粹的

作者贡献声明

李无岩：撰写初稿、项目管理、方法设计、实验研究、资金申请、数据整理、概念构思。钟超林：撰写初稿、数据可视化、结果验证、数据分析、概念构思。刘淑丽：实验指导、方法设计、实验研究、概念构思。高亚峰：撰写初稿、数据可视化、实验指导、概念构思。王璐：撰写初稿、数据可视化。邓世汉：撰写内容

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了云南省重大科技项目（项目编号：202402AG050011）和云南省基础研究项目（项目编号：202401CF070134）的支持。