Els materials de canvi de fase (PCMs) són una classe de materials que poden absorbir o alliberar grans quantitats d’energia (és a dir, entalpia de canvi de fase) durant un canvi de fase. Com que els PCM utilitzen calor latent per emmagatzemar energia, ofereixen una alta densitat d’emmagatzematge de calor, dispositius compactes d’emmagatzematge tèrmic i mantenen una temperatura essencialment constant durant el procés de canvi de fase, cosa que els facilita la gestió. Amb la creixent consciència global de la conservació de l’energia, aquesta característica de PCMS ha atret l’atenció dels investigadors i la tecnologia d’emmagatzematge tèrmic de PCM guanya cada cop més tracció en el camp d’emmagatzematge d’energia.
I. Introducció a les característiques de la tecnologia dels materials
A grans trets, les tecnologies d’emmagatzematge tèrmic inclouen l’emmagatzematge de calor i l’emmagatzematge en fred, incloent l’emmagatzematge de calor sensible i l’emmagatzematge del canvi de fase. L’emmagatzematge de calor sensible utilitza la capacitat de calor específica inherent del material per emmagatzemar i alliberar l’energia tèrmica, mentre que l’emmagatzematge del canvi de fase utilitza l’absorció i l’alliberament d’energia de calor durant el canvi de fase de PCMS (materials de canvi de fase). Els PCM, amb la seva alta densitat d’emmagatzematge de calor i les fluctuacions mínimes de temperatura durant la càrrega i l’abocament, han cridat l’atenció generalitzada dels estudiosos tant a nivell nacional com internacional. Actualment, els materials d’emmagatzematge de calor del canvi de fase inclouen principalment materials orgànics, de sal fosa, aliatge i compostos. Hi ha quatre formes principals de canvi de fase: sòlid sòlid, sòlid-líquid, gas sòlid i gas-líquid.
Un material de canvi de fase de sòlid-líquid ideal hauria de tenir les propietats següents:
(1) Alta calor latent de fusió, de manera que pugui emmagatzemar energia o alliberar més calor durant el canvi de fase;
(2) la temperatura de canvi de fase adequada per satisfer les necessitats;
(3) bona reversibilitat del canvi de fase de líquid sòlid, que pot evitar la sobrecoberta o el sobreescalfament el màxim possible;
(4) gran conductivitat tèrmica de la fase de líquid sòlid;
(5) petita expansió i contracció durant el canvi de fase de líquid sòlid;
(6) alta densitat i capacitat de calor específica dels materials de canvi de fase;
(7) no tòxics i no corrosius;
(8) Cost baix i fàcil de fabricar.
En comparació amb els materials de canvi de fase sòlid-líquid, els materials de canvi de fase sòlid tenen molts avantatges. Els materials de canvi de fase sòlid es poden processar i formar directament sense necessitat de contenidors. Tenen un coeficient baix d’expansió i un canvi de volum mínim durant el canvi de fase. No experimenten la separació de supercoolització ni en fase, eliminant la necessitat d'agents anti-supercool o de separació anti-fase. També són molt baixos en toxicitat i corrosius, sense filtracions i respectuosos amb el medi ambient. Tenen una composició estable, una bona reversibilitat de canvi de fase i una llarga vida útil. Són senzills d’instal·lar i fàcils d’utilitzar. Els principals desavantatges dels materials de canvi de fase sòlid són la seva baixa calor latent de canvi de fase i el seu preu elevat. El canvi de gasos líquids i de gas sòlid implica grans quantitats de gas durant el procés de canvi de fase, donant lloc a canvis significatius de volum. Per tant, malgrat la seva calor important en fase de calor, rarament s’utilitzen en aplicacions pràctiques.
II. Aplicacions de materials de canvi de fase
El desenvolupament de materials d’emmagatzematge d’energia del canvi de fase ha entrat gradualment a l’etapa pràctica, principalment per controlar les temperatures de reacció, utilitzar l’energia solar i emmagatzemar la calor de residus de les reaccions industrials. L’emmagatzematge d’energia a baixa temperatura s’utilitza principalment per a la recuperació de calor de residus, l’emmagatzematge d’energia solar i els sistemes de calefacció i aire condicionat. L’emmagatzematge d’energia a alta temperatura s’utilitza en motors de calor, centrals solars, generació d’energia magnetohidrodinàmica i satèl·lits. La injecció d’aquests materials en tèxtils pot crear roba lleugera amb excel·lents propietats d’aïllament tèrmic. També es poden utilitzar per crear tasses de termos que conserven calor més temps que les tasses ceràmiques ordinàries. Els paviments d’asfalt o de ciment infusos amb aquest material de canvi de fase poden evitar la glaça a les carreteres i els ponts. Per tant, té àmplies perspectives d’aplicació en materials d’aïllament d’enginyeria, productes sanitaris, equips aeroespacials, reconeixement militar i necessitats diàries.
(1) Aplicacions de materials de canvi de fase a la indústria mèdica
Molts dispositius terapèutics electrònics mèdics requereixen un funcionament constant de temperatura, necessitant l’ús de materials d’emmagatzematge de calor controlats per la temperatura per mantenir les temperatures de funcionament dins dels límits acceptables. Una patent japonesa informa de l’ús d’una barreja de Naso₄10h₂o i MGSO₄7H₂O com a material de canvi de fase per al control de la temperatura de la sala d’instruments, mantenint la temperatura ambient al voltant dels 25 graus. Els instruments especialitzats també es poden incrustar en paquets de calor fets de materials de canvi de fase per mantenir les temperatures de funcionament. En els darrers anys, un tipus de paquet de calor s’ha popularitzat en el mercat nacional. El seu material de canvi de fase és una sal hidratada amb una temperatura de canvi de fase d'aproximadament 55 graus. Una xapa metàl·lica serveix de material de llavors de nucleació. Quan la làmina metàl·lica s’esprèn manualment, la seva superfície es converteix en el centre del creixement de cristalls, donant lloc a l’alliberament de calor durant la cristal·lització. Combinat amb una bossa que conté certs medicaments tradicionals xinesos coneguts per estimular la circulació sanguínia, això crea un efecte terapèutic, amb certa eficàcia en el tractament de malalties com l’artritis reumatoide.
(2) Aplicacions de materials de canvi de fase en emmagatzematge de dades
PCM és una memòria no volàtil d’alt rendiment basada en vidre de calcogenur. Aquests compostos tenen una propietat crucial: canvien la seva resistència a mesura que passen d’una fase a una altra. La fase cristal·lina del material és de baixa resistència, mentre que la fase amorfa és d’alta resistència. Les transicions de fase s’aconsegueixen aplicant o eliminant el corrent. A diferència de la memòria tradicional basada en NAND, els dispositius PCM poden donar suport a un nombre pràcticament il·limitat d’escriptures. Els dispositius PCM també ofereixen avantatges com ara el temps de resposta d’accés ràpid, l’adregabilitat de bytes i la lectura/escriptura aleatòria. És una de les moltes tecnologies d’emmagatzematge que es planteja com a "canviar el futur". El 2017, un equip de recerca dirigit per Song Zhitang, director de l’Institut de Microsistema i Tecnologia de la Informació de Xangai, va aconseguir un gran avenç en nous materials de memòria de canvi de fase. Innovativament van proposar una estratègia de disseny per a materials de canvi de fase d’alta velocitat, minimitzant l’atzar de la nucleació dins de pel·lícules primes de canvi de fase amorfes per aconseguir una cristal·lització ràpida. El dispositiu de memòria de canvi de fase basat en SC-SB-TE, fabricat amb un procés COMS de 0,13 µm, va aconseguir un cicle reversible de 700 picosegons i una vida ciclista de més de 107 cicles. En comparació amb els dispositius GE-SB-TE convencionals, el seu consum d'energia operativa es va reduir en un 90%, mantenint la retenció de dades comparable durant deu anys. El 2018, el fabricant de xips de memòria SK Hynix va iniciar la producció de memòria creuada 3D basada en PCM. SK va explicar que les cèl·lules de memòria Crosspoint 3D utilitzades en SCM estan fabricades amb materials de canvi de fase basats en sulfur. Recentment, IBM Research va demostrar que les capacitats d’aprenentatge automàtic es poden accelerar mil vegades utilitzant xips analògics basats en la memòria de canvi de fase. Un bloc IBM va revelar que IBM està establint un centre de recerca per desenvolupar maquinari IA de nova generació i explorar el potencial de la memòria PCM en aplicacions AI.
