上海交大製冷所團隊在ACS Central Science期刊發表封面論文,提出...

近日，上海交大機械與動力工程學院製冷與低溫工程研究所（以下簡稱「製冷所」）王如竹教授和李廷賢副教授領銜的能源-空氣-水ITEWA創新團隊（Innovative Team for Energy, Water & Air）在能源化學領域期刊ACS Central Science上發表了題為「Near-Zero-Energy Smart Battery Thermal Management Enabled by Sorption Energy Harvesting from Air」的交叉學科研究論文，首次提出了從環境空氣中捕獲能量實現近零能耗、高能量/功率密度的自適應智能型電池熱管理新思路，闡述了基於水蒸汽吸附材料「脫附散熱-吸附加熱」的電子器件熱管理機制，篩選並製備了適用於電池熱管理的多孔有機金屬骨架（MOF）/泡沫碳高導熱複合吸附材料，驗證了該智能型電池熱管理策略用於電池全年候運行時夏季散熱、冬季預熱的可行性。論文第一作者是製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：基於水蒸汽吸附材料「脫附散熱-吸附加熱」的智能型電池熱管理策略

電池熱管理技術是維持電動汽車安全、高效工作的關鍵技術之一，目前商業化的動力電池熱管理技術主要以風冷和液冷為主，通常存在結構複雜、體積大、能耗高等不足。近年來，基於固-液相變材料的電池熱管理技術受到廣泛關注，利用相變過程的吸熱效應可以將電池溫度控制在相變溫度附近，但受限於固-液相變較低的相變焓值（例如石蠟200-250 kJ kg-1），該技術的應用將大幅增加電動汽車的載重負荷。相較於固-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），儘管基於蒸發-冷凝氣-液相變過程的熱管散熱技術可以實現高的傳熱係數，但其冷卻功率仍依賴於冷凝側的空氣散熱，需要額外的輔助散熱設計。近年來報導的開放式水蒸發散熱技術可以實現高能量/功率密度的電池熱管理，但由於不具備可逆循環性需進行階段性補水，且液態水的存在帶來電池的潛在風險。

 

基於水蒸汽可逆吸附-脫附的電池熱管理吸附材料製備、表徵與性能測試

ITEWA創新團隊針對現有電池熱管理技術的不足和難點，提出了一種新型的基於水蒸汽可逆吸附-脫附過程的智能型電池熱管理策略，採用MIL-101（Cr）多孔MOF材料與環境空氣中的氣態水作為工作介質，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分別實現對電池的散熱與加熱。夏季電池散熱模式：電池停止工作或低功率運行階段，MOF材料吸附捕捉空氣中的水蒸汽並存儲在孔內；當電池高功率運行時其溫度上升達到材料脫附溫度後觸發水蒸汽解吸，釋放的高焓值氣態水蒸汽將熱量散至環境中實現對電池的降溫。冬季電池預熱模式：電池啟動前乾燥的MOF材料從環境空氣中吸附水蒸汽，利用釋放的吸附熱實現對電池的預熱；當電池高功率運行或充電階段利用其自身產熱驅動MOF材料的內部水蒸汽釋放，脫附完全的MOF材料與空氣隔絕實現能量的儲存以備下次循環使用。

為了克服多孔MOF材料熱導率較低制約傳熱的問題，該文作者採用噴塗的方法將納米級MOF顆粒均勻分散在多孔碳CF內部製備了MOF@CF複合吸附材料，相對MOF材料的熱導率提高了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力電池熱管理的控溫範圍，該智能電池熱管理策略適用於全球主要大城市的相對溼度與溫度工況。

高能量/功率密度的自適應智能型電池熱管理實驗驗證

在材料優選、表徵的基礎上，作者構建了智能電池熱管理演示裝置。通過與空電池的對照實驗對比發現，採用了智能電池熱管理的18650鋰離子電池可以獲得最高8.3℃的降溫效果，並使電池溫度控制在45°C以下。受益於水蒸汽脫附過程的高焓值，電池演示裝置僅採用了0.51克MOF材料即可實現單節電池所有焦耳熱的吸收，該質量數值僅為電池質量的百分之一，因此具有顯著的高能量密度優勢。在冬季預熱模式下，採用了智能電池熱管理的18650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境溼度對材料脫附速率和吸附速率的影響，結果表明該材料在不同的約束工況下表現出自適應吸附/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，因此具備自適應散熱功率的實時調控。

該研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃項目和國家自然科學基金創新研究群體項目的資助。王如竹教授領銜的ITEWA團隊近年來在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等期刊上發表了10餘篇論文，該團隊致力於解決能源、水、空氣交叉領域的前沿基礎性科學問題和關鍵技術，旨在通過學科交叉實現材料-器件-系統層面的整體解決方案，推動相關領域取得突破性進展。

附：期刊簡介 

ACS Central Science創刊於2015年，是美國化學學會ACS出版社旗下的綜合性旗艦期刊 （影響因子12.685），致力於發表與化學、生物、工程、材料相關的新穎性高水平論文。

論文連結：https://dx.doi.org/10.1021/acscentsci.0c00570