近日，制冷與低溫工程研究所（以下簡稱“制冷所”）王如竹教授和李廷賢副教授領(lǐng)銜的能源-空氣-水ITEWA創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（Innovative Team for Energy, Water & Air）在能源化學(xué)領(lǐng)域期刊ACS Central Science上發(fā)表了題為“Near-Zero-Energy Smart Battery Thermal Management Enabled by Sorption Energy Harvesting from Air”的交叉學(xué)科研究論文，首次提出了從環(huán)境空氣中捕獲能量實(shí)現(xiàn)近零能耗、高能量/功率密度的自適應(yīng)智能型電池?zé)峁芾硇滤悸罚U述了基于水蒸汽吸附材料“脫附散熱-吸附加熱”的電子器件熱管理機(jī)制，篩選并制備了適用于電池?zé)峁芾淼亩嗫子袡C(jī)金屬骨架（MOF）/泡沫碳高導(dǎo)熱復(fù)合吸附材料，驗(yàn)證了該智能型電池?zé)峁芾聿呗杂糜陔姵厝旰蜻\(yùn)行時(shí)夏季散熱、冬季預(yù)熱的可行性。論文第一作者是制冷所博士研究生許嘉興、晁京偉和李廷賢副教授，通訊作者是李廷賢副教授和王如竹教授。該文入選ACS Central Science期刊封面論文。
期刊封面：基于水蒸汽吸附材料“脫附散熱-吸附加熱”的智能型電池?zé)峁芾聿呗?/span>
電池?zé)峁芾砑夹g(shù)是維持電動(dòng)汽車安全、高效工作的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前商業(yè)化的動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)主要以風(fēng)冷和液冷為主，通常存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、能耗高等不足。近年來，基于固-液相變材料的電池?zé)峁芾砑夹g(shù)受到廣泛關(guān)注，利用相變過程的吸熱效應(yīng)可以將電池溫度控制在相變溫度附近，但受限于固-液相變較低的相變焓值（例如石蠟200-250 kJ kg-1），該技術(shù)的應(yīng)用將大幅增加電動(dòng)汽車的載重負(fù)荷。相較于固-液相變，氣-液相變過程具有十倍以上的相變焓值（例如水~2400 kJ kg-1），盡管基于蒸發(fā)-冷凝氣-液相變過程的熱管散熱技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高的傳熱系數(shù)，但其冷卻功率仍依賴于冷凝側(cè)的空氣散熱，需要額外的輔助散熱設(shè)計(jì)。近年來報(bào)道的開放式水蒸發(fā)散熱技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高能量/功率密度的電池?zé)峁芾恚捎诓痪邆淇赡嫜h(huán)性需進(jìn)行階段性補(bǔ)水，且液態(tài)水的存在帶來電池的潛在風(fēng)險(xiǎn)。
基于水蒸汽可逆吸附-脫附的電池?zé)峁芾砦讲牧现苽洹⒈碚髋c性能測(cè)試
ITEWA創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)針對(duì)現(xiàn)有電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的不足和難點(diǎn)，提出了一種新型的基于水蒸汽可逆吸附-脫附過程的智能型電池?zé)峁芾聿呗裕捎肕IL-101（Cr）多孔MOF材料與環(huán)境空氣中的氣態(tài)水作為工作介質(zhì)，利用MOF材料在吸附或脫附水分子過程中的放熱與吸熱效應(yīng)分別實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的散熱與加熱。夏季電池散熱模式：電池停止工作或低功率運(yùn)行階段，MOF材料吸附捕捉空氣中的水蒸汽并存儲(chǔ)在孔內(nèi)；當(dāng)電池高功率運(yùn)行時(shí)其溫度上升達(dá)到材料脫附溫度后觸發(fā)水蒸汽解吸，釋放的高焓值氣態(tài)水蒸汽將熱量散至環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的降溫。冬季電池預(yù)熱模式：電池啟動(dòng)前干燥的MOF材料從環(huán)境空氣中吸附水蒸汽，利用釋放的吸附熱實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的預(yù)熱；當(dāng)電池高功率運(yùn)行或充電階段利用其自身產(chǎn)熱驅(qū)動(dòng)MOF材料的內(nèi)部水蒸汽釋放，脫附完全的MOF材料與空氣隔絕實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存以備下次循環(huán)使用。
為了克服多孔MOF材料熱導(dǎo)率較低制約傳熱的問題，該文作者采用噴涂的方法將納米級(jí)MOF顆粒均勻分散在多孔碳CF內(nèi)部制備了MOF@CF復(fù)合吸附材料，相對(duì)MOF材料的熱導(dǎo)率提高了4-5倍以上。典型夏季氣候下（30℃，60-80%RH），該材料的脫附溫度為35-45℃，典型冬季氣候下（10 °C，80%），該材料可吸附升溫至20-30℃，因此較完美地契合動(dòng)力電池?zé)峁芾淼目販胤秶撝悄茈姵責(zé)峁芾聿呗赃m用于全球主要大城市的相對(duì)濕度與溫度工況。
高能量/功率密度的自適應(yīng)智能型電池?zé)峁芾韺?shí)驗(yàn)驗(yàn)證
在材料優(yōu)選、表征的基礎(chǔ)上，作者構(gòu)建了智能電池?zé)峁芾硌菔狙b置。通過與空電池的對(duì)照實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用了智能電池?zé)峁芾淼?8650鋰離子電池可以獲得最高8.3℃的降溫效果，并使電池溫度控制在45°C以下。受益于水蒸汽脫附過程的高焓值，電池演示裝置僅采用了0.51克MOF材料即可實(shí)現(xiàn)單節(jié)電池所有焦耳熱的吸收，該質(zhì)量數(shù)值僅為電池質(zhì)量的百分之一，因此具有顯著的高能量密度優(yōu)勢(shì)。在冬季預(yù)熱模式下，采用了智能電池?zé)峁芾淼?8650鋰離子電池獲得了5°C的溫升效果，使得鋰電池獲得了更深的充放電效果，容量提升9.2%。此外，作者研究了電池溫度和環(huán)境濕度對(duì)材料脫附速率和吸附速率的影響，結(jié)果表明該材料在不同的約束工況下表現(xiàn)出自適應(yīng)吸附/脫附的工作特性，隨著電池溫度的升溫速率增大其脫附速率增大，隨著升溫速率的減小其脫附速率降低，因此具備自適應(yīng)散熱功率的實(shí)時(shí)調(diào)控。
該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目的資助。王如竹教授領(lǐng)銜的ITEWA團(tuán)隊(duì)近年來在Energy & Environmental Science、Advanced Material、Joule、Angewandte Chemie-International Edition、ACS Materials Letters、ACS Central Science、Energy Storage Materials 、Progress in Energy and Combustion Science等期刊上發(fā)表了10余篇論文，該團(tuán)隊(duì)致力于解決能源、水、空氣交叉領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)性科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)，旨在通過學(xué)科交叉實(shí)現(xiàn)材料-器件-系統(tǒng)層面的整體解決方案，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。
附：期刊簡介
ACS Central Science創(chuàng)刊于2015年，是美國化學(xué)學(xué)會(huì)ACS出版社旗下的綜合性旗艦期刊 （影響因子12.685），致力于發(fā)表與化學(xué)、生物、工程、材料相關(guān)的新穎性高水平論文。
論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1021/acscentsci.0c00570
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