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既能散热又能加温!石墨烯变身“泡沫”可调节锂电池温度,手机、汽车都能用
更新时间:2021-08-24 浏览数:

使用锂离子电池的现代设备,如智能手机和电动汽车,似乎非常可靠。但是当你尝试在极热或极冷的环境中使用它们时,会发现它们很容易因温度而出现故障和性能下降。普渡大学的工程师开发了一种解决方案:一种由可压缩石墨烯泡沫制成的“热开关”,可根据设备内部和外部的温度进行动态调整,以使得设备保持一定的温度。



由石墨烯泡沫制成的“热开关”,在室外温度较低时,可以动态捕获热量,在温度过高时,也可以帮助散热。

据了解,锂离子电池的建议使用温度是在0 - 45°C(32 - 113°F)之间,尤其是在充电的时候。一旦温度超出这个范围,就有降低电池性能的风险。防止元件过热是一场持续不断的战斗,影响着电子设备的设计,因为电子设备本身会散发大量的热量。但与此同时,当外部温度下降时,将热量留在设备中也会很需要。

该研究的共同通讯作者Xiulin Ruan说,“随着电子设备变得越来越小、越来越强大,热量管理变得更加关键。大多数设备使用被动热管理,如传导和对流,以转移多余的热量。但这个系统是不可调节的,在寒冷的环境中根本不起作用。”

现在,美国普渡大学(Purdue University)的研究人员已经开发出一种方法来处理这两种情况。而其中的关键就是石墨烯,这是一种由只有一个原子厚的碳薄片组成的超常材料。石墨烯泡沫通常是一种很好的热导体,但由于其内部的气袋,它的作用类似于绝缘体。因此,该团队利用了这一双重特性,制造了一个在绝缘体和导体之间来回切换的层。



在测试中,研究人员将石墨烯泡沫样品放置在加热器和散热器之间,并测量泡沫被压缩或放松时的温度和热流。它一开始的厚度是1.2毫米,就像一个绝缘体,但当它被压缩到0.2毫米时,它的导热性就提高了8倍。


“它的功能就像电路中的电阻器,”该研究的共同通讯作者Amy Marconnet说,“不过它改变的不是电流的大小,而是允许通过的热量的大小。”

在另一项实验中,该团队模拟了0到30°C(32到86°F)之间的真实环境温度,将石墨烯泡沫放置在模拟电子设备的热源上。结果同样非常积极,在整个环境温度范围内它稳定了设备的工作温度。

虽然该实验只是一个概念验证,但这种动态热管理形式的潜在应用不仅仅是手机。它有可能用于更大的电子产品、电动汽车电池、航天器,甚至生物医学设备。“我们的目标是使用热开关来保持所有这些设备在不同环境中有效运行,并提高它们的整体能效,”该项研究作者说。普渡研究基金会技术商业化办公室已经提交了基于热开关技术的专利申请。

论文标题:

Wide range continuously tunable and fast thermal switching based on compressible graphene composite foams

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-021-25083-8

原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s/T5JjxiUYVdL6UgzjC7FPYg