仿哺乳動物皮膚的被動冷卻膜問世 新型電池也會“出汗”

鋰離子電池在工作過程中雖然只將不到10%的能量轉化為熱量，但這部分熱如果得不到有效控制，會加速電池老化，甚至在極端情況下引發熱失控和火災。與之形成鮮明對比的是，人類這種“低效”的電化學系統每天產生的熱量足以把上百杯茶水煮沸，卻仍能保持體溫穩定，關鍵就在于皮膚及其出汗散熱機制。香港城市大學研究團隊近日受此啟發，開發出一種“仿皮膚自適應納米復合冷卻膜”，讓電池也能夠像哺乳動物皮膚一樣“出汗降溫”。

多年來，從手機到電動車，幾乎所有鋰電系統都必須配備熱管理系統，包括風扇、散熱片、液冷回路和相變材料等，以把電芯溫度維持在安全范圍內。這些方案雖然成熟有效，卻往往結構復雜，占用空間，還需要額外耗電。研究團隊認為，自然界已經給出了高效且優雅的解決方案——哺乳動物皮膚通過“出汗+蒸發”完成極高效率的體溫調節，如果能將這一機理以工程化方式移植到電池上，將有望同時提升性能、安全性與系統簡化度。

據介紹，這種新型冷卻膜像“皮膚”一樣包覆在電池外表，由氯化鋰（LiCl）、氧化石墨烯（GO）、活性碳纖維（ACF）等功能材料構成，并被封裝在多孔聚四氟乙烯（PTFE）膜中，再由銅框架支撐。各個組分分工明確：LiCl是一種高吸濕性鹽類，在溫度較低時可以從空氣中吸收并儲存水分；氧化石墨烯形成高效的導熱網絡，將電池產生的熱量迅速在膜內鋪開；活性碳纖維的多孔結構顯著增加蒸發面積；銅框架幫助熱量均勻分布，避免局部飽和；PTFE外膜則阻止溶液泄漏，同時允許水蒸氣自由透過。

當電池升溫時，膜內儲存的水分吸收熱量并迅速蒸發，將熱量帶離電池表面，這一過程被稱為“解吸冷卻”。當電池冷卻下來后，膜又會自發從周圍空氣中重新吸水，恢復“水分庫存”，為下一輪工作做好準備。研究團隊指出，這種自適應吸放濕特性，使得冷卻膜可以在不同工況下自動調節自身狀態，無需外部控制系統即可實現連續循環。

實驗數據表明，該自適應冷卻膜在概念驗證測試中可實現平均802.5 W·m?2的冷卻功率，并在2.7 kW·m?2的高熱流密度下將溫度拉低34.3攝氏度（約61.7華氏度）。在一塊標稱3.7 V/12 Ah的商用鋰離子電池上進行高倍率充放電試驗時，使用該冷卻膜的電池循環壽命從118次延長到了233次，幾乎翻倍。研究人員指出，在接近高性能電池真實工況的強熱負荷條件下，材料仍能實現超過30攝氏度的降溫，足以顯著抑制性能衰減與安全風險。

除了冷卻能力，這種納米復合膜還具備優良的阻燃屬性，在通?？赡芤l燃燒的條件下可有效阻止熱失控蔓延。在測試中，膜在超過1000小時的嚴苛循環使用后仍保持穩定的熱管理性能，顯示出較好的耐久性和可重復性。更關鍵的是，整個系統屬于被動冷卻，無需任何額外供電：膜中的LiCl在電池溫度下降時會自動從空氣中重新吸濕，為下一次散熱“充能”。

“我們的目標是開發一種被動、緊湊、低成本且實用的熱管理方案，在無需外部能量輸入的前提下提供強冷卻能力，同時兼顧實際電池運行過程中的可靠性和安全性?！表椖控撠熑怂逶龉獠┦勘硎?。由于結構簡單、體積緊湊，這種冷卻膜在設計上具有很高的可擴展性，可根據需求放大或縮小尺寸，從便攜式電子設備到大型電動汽車電池包都有望應用。

不過，研究團隊也提醒，目前這一技術更適合熱負荷呈間歇或周期性變化的場景，在持續高熱流密度工況下，由于材料需要時間降溫并重新吸濕，冷卻能力會受到一定限制。換言之，這是一種非常適合“間歇高功率工作”的被動冷卻解決方案，而非針對持續極端高溫環境的一刀切答案。

盡管仍處于相對早期階段，距離全面產業化尚需進一步研發與驗證，研究人員對其前景頗為樂觀。他們認為，凡是對輕量化、體積緊湊、無需額外供電卻又需要“有意義的冷卻能力”的場景，這一技術都具有相當吸引力，尤其是在類人機器人和無人機等對重量和封裝約束極為敏感的領域。相關研究論文已發表于期刊《ACS Nano》，更詳細的技術細節亦在文中披露。