Preparation and Thermophysical Properties Study of Lithium Nitrate/Expanded Graphite Composite Phase Change Materials

Cui Junhao; Hu Kaiyong; Li Jian; Yu Mingzhe; He Bo; Shen Jun

doi:10.12465/issn.0253-4339.20260720003

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Preparation and Thermophysical Properties Study of Lithium Nitrate/Expanded Graphite Composite Phase Change Materials

更新时间：2026-09-24

- Preparation and Thermophysical Properties Study of Lithium Nitrate/Expanded Graphite Composite Phase Change Materials
- Journal of Refrigeration Pages: 1-10(2026)
- 作者机构：
  
  1.天津商业大学机械工程学院天津 300134
  2. 北京理工大学机械与车辆学院北京 100081
- 作者简介：
  
  Li Jian， male， Ph.D.， research fellow， School of Mechanical Engineering， Beijing Institute of Technology， E-mail： lijian2022@bit.edu.cn. Research directions： phase change thermal storage， Carnot batteries， high-temperature solid thermal storage， and other advanced energy storage technologies.
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(52476001;U22B20112)
- DOI：10.12465/issn.0253-4339.20260720003
  CLC： TK02;TB34;TB332
- Received：20 July 2026，
  
  Revised：2026-08-01，
  
  Accepted：21 August 2026，
  
  Online First：24 September 2026，
- 稿件说明：
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崔俊豪，胡开永，李健，等. 硝酸锂/膨胀石墨复合相变材料的制备及热物性研究［J］. 制冷学报，XXXX，XX（XX）：1-10.

Cui Junhao，Hu Kaiyong，Li Jian，et al. Preparation and Thermophysical Properties Study of Lithium Nitrate/Expanded Graphite Composite Phase Change Materials［J］. Journal of Refrigeration，XXXX，XX（XX）：1-10.
崔俊豪，胡开永，李健，等. 硝酸锂/膨胀石墨复合相变材料的制备及热物性研究［J］. 制冷学报，XXXX，XX（XX）：1-10. DOI： 10.12465/issn.0253-4339.20260720003.

Cui Junhao，Hu Kaiyong，Li Jian，et al. Preparation and Thermophysical Properties Study of Lithium Nitrate/Expanded Graphite Composite Phase Change Materials［J］. Journal of Refrigeration，XXXX，XX（XX）：1-10. DOI： 10.12465/issn.0253-4339.20260720003.

摘要

中高温余热具有间歇性和波动性，相变储热是缓解热量供需不匹配的有效途径。LiNO

具有适宜的相变温度和较高的相变焓，但较低的热导率限制了其储热速率。本文以LiNO

为相变材料、以EG（膨胀石墨，expanded graphite）为导热增强材料，采用溶剂挥发法制备了LiNO

/EG复合相变材料，并通过实验与仿真分析其热物性及储热性能。结果表明：LiNO

进入EG多孔结构，并形成物理复合结构。随着EG质量分数增加，复合相变材料的热导率逐渐提高，而相变焓持续降低。当EG质量分数为15%（CPCM85，85% LiNO

/15% EG）时，其热导率达到3.53 W/（m·K），相变焓仍保持291.3 kJ/kg，LiNO

组分残余率相比纯LiNO

提升36.4%，在所有配比方案中热稳定性最佳；综合热导率、相变焓及热稳定性，确定CPCM85为最优的配比方案。仿真结果表明，CPCM85具有比LiNO

更高的储热速率。

Abstract

Objective

Medium- and high-temperature waste heat is intermittent and fluctuating， resulting in a mismatch between heat supply and demand. Latent heat storage based on phase change materials （PCMs） provides an effective method for high-density thermal energy storage. Lithium nitrate （LiNO

） has a suitable phase change temperature and high phase change enthalpy for waste heat recovery， but its low thermal conductivity limits the volumetric power density. In this study， using LiNO

as the PCM and expanded graphite （EG） as the material for enhancing thermal conductivity， LiNO

/EG composite phase change materials （CPCMs） were prepared， and their thermophysical properties and heat storage performance were investigated.

Methods

LiNO

/EG CPCMs with EG mass fractions of 5%， 10%， 15%， and 20% were prepared via a solvent evaporation method. Fourier transform infrared （FTIR） spectroscopy， X-ray diffraction （XRD）， differential scanning calorimetry （DSC）， transient plane source （TPS）， and thermogravimetric analysis-derivative thermogravimetry （TG-DTG） characterized the chemical compatibility， phase composition， phase change properties， thermal conductivity， and thermostability. A computational fluid dynamics （CFD） a

nalysis of a shell-and-tube latent heat storage unit was conducted to evaluate the heat storage behavior of CPCM85 （85% LiNO

/15% EG） and pure LiNO

under flue gas heating.

Results and Discussions

FTIR and XRD results showed that no new chemical phases were formed， and LiNO

was physically confined within the EG porous structure. Increasing EG content improved thermal conductivity but reduced phase change enthalpy. CPCM85 exhibited a phase change temperature of 260.46 ℃， a phase change enthalpy of 291.3 kJ/kg， and a thermal conductivity of 3.53 W/（m·K）， with the thermal conductivity 6.92 times higher than that of pure LiNO

. The residual rate of PCM components increased from 24.05% to 32.81%. The CFD results showed that the melting time decreased from 4 167 s to 2 178 s， and the heat storage rate reached 35 W at 5 000 s， which was 4.93 times that of pure LiNO

Conclusions

Considering the thermal conductivity， phase change enthalpy， and thermogravimetric characteristics， CPCM85 exhibited a favorable overall performance and was selected for the simulation， indicating its potential application in medium- and high-temperature waste heat recovery systems.

关键词

Keywords

references

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声明：本文作者声明，在论文准备、撰写和修改过程中未使用生成式人工智能（AIGC）工具，论文内容、数据分析及结论均由作者独立完成。

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