既能散熱又能加溫！石墨烯變身“泡沫”可調(diào)節(jié)鋰電池溫度，手機(jī)、汽車都能用
閱讀次數(shù)：789 更新時(shí)間：2021-08-24
使用鋰離子電池的現(xiàn)代設(shè)備，如智能手機(jī)和電動(dòng)汽車，似乎非?？煽?。但是當(dāng)你嘗試在極熱或極冷的環(huán)境中使用它們時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)它們很容易因溫度而出現(xiàn)故障和性能下降。普渡大學(xué)的工程師開發(fā)了一種解決方案：一種由可壓縮石墨烯泡沫制成的“熱開關(guān)”，可根據(jù)設(shè)備內(nèi)部和外部的溫度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以使得設(shè)備保持一定的溫度。
由石墨烯泡沫制成的“熱開關(guān)”，在室外溫度較低時(shí)，可以動(dòng)態(tài)捕獲熱量，在溫度過高時(shí)，也可以幫助散熱。
據(jù)了解，鋰離子電池的建議使用溫度是在0 - 45°C（32 - 113°F）之間，尤其是在充電的時(shí)候。一旦溫度超出這個(gè)范圍，就有降低電池性能的風(fēng)險(xiǎn)。防止元件過熱是一場持續(xù)不斷的戰(zhàn)斗，影響著電子設(shè)備的設(shè)計(jì)，因?yàn)殡娮釉O(shè)備本身會(huì)散發(fā)大量的熱量。但與此同時(shí)，當(dāng)外部溫度下降時(shí)，將熱量留在設(shè)備中也會(huì)很需要。
該研究的共同通訊作者Xiulin Ruan說，“隨著電子設(shè)備變得越來越小、越來越強(qiáng)大，熱量管理變得更加關(guān)鍵。大多數(shù)設(shè)備使用被動(dòng)熱管理，如傳導(dǎo)和對流，以轉(zhuǎn)移多余的熱量。但這個(gè)系統(tǒng)是不可調(diào)節(jié)的，在寒冷的環(huán)境中根本不起作用。”
現(xiàn)在，美國普渡大學(xué)（Purdue University）的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種方法來處理這兩種情況。而其中的關(guān)鍵就是石墨烯，這是一種由只有一個(gè)原子厚的碳薄片組成的超常材料。石墨烯泡沫通常是一種很好的熱導(dǎo)體，但由于其內(nèi)部的氣袋，它的作用類似于絕緣體。因此，該團(tuán)隊(duì)利用了這一雙重特性，制造了一個(gè)在絕緣體和導(dǎo)體之間來回切換的層。
在測試中，研究人員將石墨烯泡沫樣品放置在加熱器和散熱器之間，并測量泡沫被壓縮或放松時(shí)的溫度和熱流。它一開始的厚度是1.2毫米，就像一個(gè)絕緣體，但當(dāng)它被壓縮到0.2毫米時(shí)，它的導(dǎo)熱性就提高了8倍。
“它的功能就像電路中的電阻器，”該研究的共同通訊作者Amy Marconnet說，“不過它改變的不是電流的大小，而是允許通過的熱量的大小。”
在另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)模擬了0到30°C（32到86°F）之間的真實(shí)環(huán)境溫度，將石墨烯泡沫放置在模擬電子設(shè)備的熱源上。結(jié)果同樣非常積極，在整個(gè)環(huán)境溫度范圍內(nèi)它穩(wěn)定了設(shè)備的工作溫度。
雖然該實(shí)驗(yàn)只是一個(gè)概念驗(yàn)證，但這種動(dòng)態(tài)熱管理形式的潛在應(yīng)用不僅僅是手機(jī)。它有可能用于更大的電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車電池、航天器，甚至生物醫(yī)學(xué)設(shè)備。“我們的目標(biāo)是使用熱開關(guān)來保持所有這些設(shè)備在不同環(huán)境中有效運(yùn)行，并提高它們的整體能效，”該項(xiàng)研究作者說。普渡研究基金會(huì)技術(shù)商業(yè)化辦公室已經(jīng)提交了基于熱開關(guān)技術(shù)的專利申請。
論文標(biāo)題：
Wide range continuously tunable and fast thermal switching based on compressible graphene composite foams
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-25083-8
原文鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/T5JjxiUYVdL6UgzjC7FPYg
