用于电子废热回收与热管理的无水热电凝胶

来源 | ACS Applied Polymer Materials

原文 | https://doi.org/10.1021/acsapm.3c00481

01

背景介绍

随着微电子技术的快速发展，电子元件尺寸的小型化和频率的增加，导致巨大的功耗密度，所以会产生较大的热量。然而，大部分热能通常通过直接排放到空气中而不再利用来浪费耗散。而且，热量积聚还会导致运行性能下降、使用寿命缩短以及安全问题。因此，非常迫切发展出对高效热管理系统，因为如果热能能够有效地作为一种有吸引力的能源进行收集，则有可能减少温室气体排放并减少对传统化石燃料的依赖。近年来，水凝胶基热电电解质在热能收集方面得到了广泛的研究，通过改进电极、电解质和器件，在低成本余热利用方面取得了巨大进展。然而，基于热电凝胶不可避免地面临着极端环境的挑战；在零下的温度下，水凝胶不可避免地会冻结并失去导电性和柔韧性，这严重限制了低温环境中的性能和潜在应用。在研究水凝胶基热电的环境适应性方面投入了大量精力。另一方面，即使在室温下，由于水的不断蒸发，水凝胶也缺乏持久的水分，从而阻碍了其长期可用性。因此，研究人员通过各种办法试图解决上述问题。由于乙二醇（EG）在工业上被广泛用作防冻剂，具有良好的防冻性能，而二甲基亚砜DMSO是一种良好的溶剂，具有高沸点和稳定的化学性质，结合DMSO/EG二元溶剂的优点有望制备出一种新的防冻有机凝胶，用于极端应用环境。

02

成果掠影

太原理工大学张虎林教授和台湾大学林宗宏教授针对结合DMSO/EG二元溶剂的优点制备出一种新热耐低温的电凝胶。以Fe ^3+/2+氧化还原的方法和二元有机溶剂结合的方式制备了二甲基亚砜(DMSO)/乙二醇(EG)无水热电凝胶。在0至100%的100个循环应变期间，有机凝胶保持出色的机械稳定性，热能保持率高达85%，热电凝胶即使在-80℃的低温下也能保持优异的抗冻性。暴露在空气中7天后，热能显示出 90% 的高保留率。这些优点是由于DMSO与EG分子之间形成了大量的氢键，防止了结晶，同时阻碍了溶剂的蒸发。实验结果表明，采用DMSO/EG二元溶剂制备的热电凝胶具有优良的力学性能、透明性、抗干性、抗冻性和稳定的热电性能。作为应用演示，通过将热电凝胶放置在充电电池/充电器/芯片表面，它在进行热电转换时充当导热网络，揭示了同时废热回收和热管理的可行策略。这项研究为创作用于能量回收和自供电可穿戴电子产品的柔性热电材料提供了新的见解。研究成果以“Anhydrous Thermogalvanic Gel for Simultaneous Waste Heat Recovery and Thermal Management of Electronics”为题发表于《ACS Applied Polymer Materials》。

03

图文导读

图1. 热电水凝胶设计与制备示意图。

图2. 有机凝胶的机械性能。

图3. 热电凝胶的抗干、抗冻性能。

图4. 凝胶的热电性能。

图5. 基于热电凝胶的概念证明可用于电子废热回收和热管理。

END

★ 平台声明

部分素材源自网络，版权归原作者所有。分享目的仅为行业信息传递与交流，不代表本公众号立场和证实其真实性与否。如有不适，请联系我们及时处理。欢迎参与投稿分享！