手机烫到爆炸？武汉大学研究团队发明快速冷却水凝胶，还能将余热转化电能

编者按：本文来自微信公众号“学术头条”（ID:SciTouTiao），作者：曹绮桐，36氪经授权发布。原题目《手机烫到爆炸？武汉大学刘抗、胡雪蛟团队发明快速冷却水凝胶，还能将余热转化电能》

许多电子设备在长时间使用后出现温度过高，如果无法及时散热，可能会减慢设备的运行速度、损坏它们的组件，甚至导致电池爆炸或着火。针对这一问题，武汉大学刘抗研究员、胡雪蛟教授联合加州大学洛杉矶分校陈俊教授设计开发了一种简单通用、有效的、低成本的水凝胶薄膜散热技术，不仅可以快速帮助手机等电子设备降温，还能够回收余热转化为电能。相关研究成果 4 月 22 日发表在《纳米快报》上。

散热与废热回收的冲突

一些电子设备的零部件，包括电池、发光二极管和计算机微处理器，在正常运行过程中都会产生大量热量。如果不能及时散热，会导致热量积聚和局部过热，从而降低设备的运行效率，并对设备准确度、灵敏度以及使用寿命造成极大影响。

因此，如何实现电子设备的高效散热，已经成为现代电子设备的核心问题之一。

目前为了实现高效散热，通常是增加辅助设备，如散热风扇或散热泵，这也意味着能耗的增加。

此外，由于绝大部分热量没有再利用，意味着在这个过程中大量的能量被浪费了。

传统的热回收方法，如热电模块，通常会增加额外的热阻，反而阻碍了对散热的要求，从而导致这些电子设备的核心部件温度升高。

到目前为止，研究人员可以分别实现高效散热和废热回收，但尚不能在同一个电子设备系统中同时实现这两个相互冲突的过程。

智能水凝胶

为了解决这一问题，武汉大学刘抗研究员、胡雪蛟教授联合加州大学洛杉矶分校陈俊教授尝试设计一种智能水凝胶，以将设备废热转化为电能，同时实现设备的快速散热。在先前成果的基础上，研究人员制作了一种由聚丙烯酰胺作为框架，由水和特定离子填充而成的新型水凝胶。该水凝胶薄膜具有两个重要的热学性质，一是在环境条件下可以很好的保持自身水量，克服了传统水凝胶在环境条件下使用会持续失水变干的问题；

二是当温度升高时，该水凝胶薄膜会蒸发失去一部分水量，但当温度降下来的时候，水凝胶薄膜又会从空气中吸收水蒸气使自己回复到初始状态。当然，这些热学性质仅仅实现了快速散热的功能需求，而实际上，当水凝胶遇热时，其中的离子会在电极之间传递电子，从而产生电流。

也就是说，智能水凝胶中的水和离子进行着两个独立的热力学循环，当水凝胶附着在热源上时，可以实现有效的蒸发冷却，同时将部分废热转化为电能。而且，该水凝胶还可以从周围的空气中吸收水分，以补充为了快速散热而蒸发的水量。这种可逆性的精心设计，既解决了电子设备的快速散热需求，又能够尽可能地将回收多余热量。为了进行验证，研究人员将 2 毫米厚的智能水凝胶膜，贴放在快速放电的手机电池上，结果观察到电池温度相对之前下降了 20℃，并产生了 5μW 的电力。降低的工作温度保证了电池的安全运行，收集的电量足以监控电池或控制冷却系统。研究人员表示，该水凝胶除了内部的水分可以自由蒸发吸热以实现高效散热过程，以及还能自动吸收周围空气中的水分以实现水回收，该水凝胶更加智能的地方在于，还通过调节离子的浓度以及水凝胶的厚度，实现对水的蒸发和再生时间进行微调。

研究人员在论文中写道，“我们将水凝胶附着在手机电池上，观察到电池在快速放电时有明显的降温(20℃)，同时一部分废热也被转化为电能，这证明了该水凝胶在实现电子产品同时冷却和回收废热方面的巨大潜力。”

论文题目：Thermogalvanic Hydrogel for Synchronous Evaporative Cooling and Low-Grade Heat Energy Harvesting

论文摘要：Efficient heat removal and recovery are two conflicting processes that are difficult to achieve simultaneously. Here, in this work, we pave a new way to achieve this through the use of a smart thermogalvanic hydrogel film, in which the ions and water undergo two separate thermodynamic cycles: thermogalvanic reaction and water-to-vapor phase transition. When the hydrogel is attached to a heat source, it can achieve efficient evaporative cooling while simultaneously converting a portion of the waste heat into electricity. Moreover, the hydrogel can absorb water from the surrounding air to regenerate its water content later on. This reversibility can be finely designed. As an applicative demonstration, the hydrogel film with a thickness of 2 mm was attached to a cell phone battery while operating. It successfully decreased the temperature of the battery by 20 °C and retrieved electricity of 5 μW at the discharging rate of 2.2 C.

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.0c00800

参考资料：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-04/acs-anw041720.php