Los materiales de cambio de fase (PCM) son una clase de materiales que pueden absorber o liberar una gran cantidad de energía (es decir, entalpía de cambio de fase) durante un cambio de fase. Debido a que los PCM utilizan calor latente para almacenar energía, tienen una alta densidad de almacenamiento de calor, dispositivos compactos de almacenamiento de calor y su temperatura permanece esencialmente constante durante el proceso de cambio de fase, lo que los hace fáciles de manejar. Con la creciente conciencia mundial sobre la conservación de energía, esta característica de los PCM ha atraído la atención de los investigadores, y la tecnología de almacenamiento de energía térmica de cambio de fase brilla cada vez más en el campo del almacenamiento de energía.
I. Introducción a las características de la tecnología de materiales
En términos generales, la tecnología de almacenamiento de energía térmica incluye tanto tecnologías de almacenamiento de energía térmica como tecnologías de almacenamiento de energía en frío. La tecnología de almacenamiento de energía térmica incluye el almacenamiento de energía térmica sensible y el almacenamiento de energía térmica de cambio de fase. El almacenamiento de energía térmica sensible utiliza la capacidad calorífica específica del propio material para almacenar/liberar energía térmica, mientras que el almacenamiento de energía térmica de cambio de fase utiliza el proceso de conversión de energía de absorción/liberación de calor durante el cambio de fase de los materiales de cambio de fase (PCM) para almacenar/liberar energía térmica. Los materiales de almacenamiento de energía térmica de cambio de fase tienen ventajas como una alta densidad de almacenamiento de calor y pequeños cambios de temperatura durante la carga y liberación de calor, lo que atrae una amplia atención de los académicos tanto a nivel nacional como internacional. Actualmente, los materiales de almacenamiento de energía de cambio de fase incluyen principalmente tipos orgánicos, sales fundidas, aleaciones y compuestos. Sus formas de cambio de fase son principalmente de cuatro tipos: sólido-sólido, sólido-líquido, sólido-gas y líquido-gas.
Un material de cambio de fase sólida-líquida ideal debe poseer las siguientes propiedades:
(1) Alto calor latente de fusión, que le permite almacenar o liberar una cantidad significativa de calor durante el cambio de fase;
(2) Temperatura de cambio de fase adecuada para cumplir con los requisitos;
(3) Buena reversibilidad del cambio de fase sólida-líquida, minimizando el sobreenfriamiento o el sobrecalentamiento;
(4) Alta conductividad térmica entre las fases sólida y líquida;
(5) Expansión y contracción mínimas durante el proceso de cambio de fase sólida-líquida;
(6) Alta densidad y capacidad calorífica específica;
(7) No-tóxico ni-corrosivo;
(8) Bajo costo y fácil de fabricar.
En comparación con los materiales de cambio de fase sólido-líquido, los materiales de cambio de fase sólido-sólidos tienen muchas ventajas. Los materiales de cambio de fase sólida (SCT) sólidos-se pueden procesar y moldear directamente sin necesidad de contenedores; tienen un pequeño coeficiente de expansión térmica, lo que resulta en un cambio de volumen mínimo durante la transición de fase; no presentan sobreenfriamiento ni separación de fases, lo que elimina la necesidad de agentes anti-sobreenfriamiento y agentes anti-separación de fases; tienen muy baja toxicidad y mínima corrosividad; están libres de fugas-y no contaminan el medio ambiente; tienen una composición estable, buena reversibilidad del cambio de fase y una larga vida útil; y sus dispositivos son simples y fáciles de usar. Las principales desventajas de los SCT son su bajo calor latente de cambio de fase y su alto precio. Los materiales de cambio de fase líquido-gas y sólido-gas, debido a la presencia de una gran cantidad de gas durante la transición de fase, dan como resultado cambios de volumen significativos y, por lo tanto, a pesar de su gran calor de cambio de fase, rara vez se eligen en aplicaciones prácticas.
II. Áreas de aplicación de materiales de cambio de fase
El desarrollo de materiales de almacenamiento de energía de cambio de fase ha entrado gradualmente en la etapa de aplicación práctica, utilizándose principalmente para controlar las temperaturas de reacción, utilizar energía solar y almacenar el calor residual de reacciones industriales. El almacenamiento de energía a baja-temperatura se utiliza principalmente para la recuperación de calor residual, el almacenamiento de energía solar y los sistemas de calefacción y aire acondicionado. El almacenamiento de energía a alta-temperatura se utiliza en motores térmicos, plantas de energía solar, generación de energía magnetohidrodinámica y satélites artificiales. La inyección de estos materiales en los textiles puede crear prendas ligeras con un excelente aislamiento térmico. También se pueden utilizar para fabricar tazas aislantes que retengan el calor por más tiempo que las tazas de cerámica comunes. Los pavimentos de asfalto o cemento que contienen este material de cambio de fase pueden evitar la formación de hielo en carreteras y puentes. Por lo tanto, tiene amplias perspectivas de aplicación en materiales aislantes de ingeniería, productos médicos y sanitarios, equipos aeroespaciales, reconocimiento militar y necesidades diarias.
(I) Aplicación de materiales de cambio de fase en la industria farmacéutica Muchos dispositivos terapéuticos electrónicos médicos requieren un funcionamiento a temperatura constante, lo que requiere el uso de materiales de almacenamiento de calor con temperatura-controlada para regular la temperatura y garantizar que los instrumentos funcionen dentro de los límites permitidos. Una patente japonesa informa el uso de una mezcla de NaSO4·10H2O y MgSO4·7H2O como material de cambio de fase para el control de temperatura en salas de instrumentos, manteniendo una temperatura ambiente de aproximadamente 25 grados. También se pueden encerrar instrumentos especiales en bolsas térmicas hechas de materiales de cambio de fase para mantener su temperatura de funcionamiento. En los últimos años ha surgido en el mercado nacional un tipo de paquete térmico. Su material de cambio de fase es una sal hidratada con una temperatura de cambio de fase de alrededor de 55 grados. Se utiliza una lámina de metal como material de semilla de nucleación; Cuando se aprieta la lámina de metal, su superficie se convierte en un centro de crecimiento de cristales, lo que produce una cristalización exotérmica. Combinado con ciertas bolsitas de medicina tradicional china que favorecen la circulación sanguínea, consigue un efecto terapéutico, mostrando cierta eficacia en el tratamiento de enfermedades como la artritis reumatoide.
(II) Aplicación de materiales de cambio de fase en el almacenamiento de datos
PCM es una memoria no-volátil de alto-rendimiento basada en vidrio de calcogenuro. Este compuesto tiene una característica crucial: su resistencia cambia cuando pasa de una fase a otra. La fase cristalina del material es una fase de baja-resistencia, mientras que la fase amorfa es una fase de alta-resistencia. Las transiciones de fase se logran aplicando o eliminando corriente. A diferencia de la memoria no volátil tradicional basada en NAND--, los dispositivos PCM pueden realizar escrituras prácticamente ilimitadas. Además, los dispositivos PCM ofrecen ventajas como un tiempo de respuesta de acceso corto, capacidad de direccionamiento de bytes y capacidades de lectura/escritura aleatoria, lo que los convierte en una de las muchas tecnologías de almacenamiento promocionadas como una tecnología "que cambiará el futuro".
En 2017, un equipo de investigación dirigido por Song Zhitang, director del Instituto de Microsistemas y Tecnología de la Información de Shanghai, logró un gran avance en materiales novedosos de memoria de cambio de fase-(PCM). Propusieron de manera innovadora un concepto de diseño para materiales PCM de alta-velocidad, es decir, lograr una cristalización de alta-velocidad de materiales PCM reduciendo la aleatoriedad de la nucleación dentro de películas de PCM amorfas. Utilizando un proceso CMOS de 0,13 µm-, los dispositivos PCM basados en Sc-Sb-Te- lograron operaciones de escritura-reversible de alta-velocidad de 700 picosegundos con un ciclo de vida superior a 10⁷ ciclos. En comparación con los dispositivos tradicionales Ge-Sb-Te, su consumo de energía se redujo en un 90 %, manteniendo al mismo tiempo una retención de datos comparable durante diez años. En 2018, el fabricante de chips de memoria SK Hynix comenzó a producir memorias de punto de cruce 3D basadas en PCM. SK explicó que esta celda de memoria de punto de cruce 3D, utilizada en SCM, está hecha de materiales PCM a base de sulfuro-. Recientemente, una investigación de IBM demostró que las capacidades de aprendizaje automático se pueden acelerar mil veces mediante el uso de chips analógicos basados en PCM. Un blog de IBM reveló que IBM está estableciendo un centro de investigación para desarrollar hardware de IA de próxima generación y explorar el potencial de aplicación de la memoria PCM en el campo de la IA.
