离子热电渗透能量转换技术，用于从电子散热器中回收低品位废热

《Energy》：Ionic thermoelectric osmotic energy conversion for harvesting low-grade waste heat from electronic heat sink

低品位废热回收与离子热电转换协同增效，通过温度梯度驱动纳米孔中的离子选择性传输实现高效电能转化。实验表明，热流密度提升至3000W/m2时，温度梯度从18.24℃增至43.60℃，使功率密度达77.01mW/m2；优化离子浓度（0.01-0.05M）和pH值（3-11）可进一步提升性能至83.01mW/m2，同时热电系数稳定在0.47-0.5mV/K。该装置实现电子散热管理与废热发电一体化，适用于高密度紧凑型电子设备。

　　在现代电子设备迅速发展的背景下，高效利用低品位废热已成为一个重要的研究方向。随着电子制造技术的进步和工业需求的增加，电子设备正朝着高功率密度和紧凑设计的方向发展。这种趋势虽然提高了设备的性能，但也导致了大量废热的产生。如果这些废热不能被有效散发，就会在设备内部积累，造成温度显著上升，进而严重影响设备的运行效率和使用寿命。因此，实施有效的热管理策略，不仅有助于维持设备的稳定运行，也是提升能源利用效率的关键。

当前，电子设备的热管理技术主要分为主动冷却和被动冷却两种。主动冷却方法，如强制空气对流、微通道液体冷却、电渗流冷却和喷射冷却等，依赖外部动力驱动传热流体，具有较高的热去除效率，但需要额外的能量输入和泵送装置，这在空间受限的应用中并不理想。相比之下，被动冷却技术，如鳍片插入、金属泡沫和相变材料等，无需外部能量输入，适用于空间受限的场合。然而，大多数热管理研究主要关注于如何有效地散发废热，而忽视了废热的回收利用，导致大量能量浪费。

低品位废热的回收利用对于提高能源效率具有重要意义。传统的废热回收技术，如有机朗肯循环、热泵系统和Kalina循环等，通常适用于较高温度的废热回收，而电子设备的废热温度通常低于100°C，因此这些技术在回收低品位废热方面存在局限性。为了解决这一问题，热电能量转换技术逐渐受到关注。热电技术可以直接将低品位热能转化为电能，具有较高的能量利用效率，并且过程清洁无污染，非常适合用于电子设备内部的热能回收。

热电材料根据其电荷载体可以分为电子热电材料和离子热电材料。电子热电材料，如半导体，通常利用Seebeck效应，通过温度梯度驱动电子或空穴形成电流。然而，电子热电材料的Seebeck系数通常在10 μV/K量级，这限制了其在低品位热能回收中的应用。为了达到所需的电压水平，需要集成大量的热电元件，或者采用直流升压技术，这不仅增加了系统的体积，也对电子设备的微型化趋势带来了挑战。

相比之下，离子热电材料的热电系数大约是电子热电材料的1到2个数量级，某些特定的离子热电材料甚至可以达到10 mV/K以上。这种显著的提升使得离子热电技术在低品位热能回收方面展现出更大的潜力。离子热电能量转换系统通常分为两种类型：热电化学电池和Soret效应驱动的电池。热电化学电池基于电极之间的温度梯度驱动的氧化还原反应，而Soret效应驱动的电池则依赖于温度梯度下的热扩散，其热电转换效率主要由离子在纳米孔中的选择性传输能力决定。

Soret效应驱动的离子热电能量转换技术具有低温度运行、机械灵活性和简单制造等优势，特别适合于紧凑型或便携式电子设备的低品位废热回收。近年来，离子热电技术的研究取得了显著进展，展示了其在下一代微型化和多功能能量收集系统中的应用潜力。例如，基于凝胶的离子热电-电化学混合电池通过集成不对称凝胶层和优化氧化还原组成，显著提高了输出功率。此外，具有优异热机械稳定性和宽温度适应性的可拉伸离子凝胶被设计用于可穿戴能量收集器和传感器，为柔性与人体集成电子设备的发展提供了新路径。同时，电子-离子耦合策略也被引入以克服传统离子热电材料的间歇性问题，实现了连续发电的水凝胶，并且这些水凝胶还能作为阻燃和火灾预警组件。

在当前的工作中，提出了一种离子热电渗透能量转换（Ionic Thermoelectric Osmotic Energy Conversion, ITOEC）装置，用于从电子散热器中回收低品位废热。该装置通过结合离子热电渗透能量转换器与电子散热器，实现了同时的被动热管理和低品位废热发电。实验系统在第二部分进行了详细构建，并对其理论和数学模型进行了阐述。随后，在第三部分通过理论分析和实验测量探讨了该装置在不同参数条件下的工作机制。通过使用多孔碳化硅增强电子散热器与离子水溶液之间的共轭热传递，该装置不仅提高了热管理效果，也显著提升了能量转换性能。

在实验条件下，当电子散热器的热通量从1000 W/m2增加到3000 W/m2时，离子热电渗透能量转换装置在90分钟运行后，其输出功率密度从11.69 mW/m2稳定提升至77.01 mW/m2。这一提升主要归因于离子交换膜两侧水溶液之间的温度差从18.24°C增加到43.60°C。此外，该装置的瞬态离子热电系数在不同热通量条件下略有波动，但始终稳定在0.5 mV/K附近，显示出良好的热电灵敏度。进一步研究发现，在离子浓度为0.01 M和0.05 M时，分别实现了最佳的离子热电系数和功率密度。当水溶液的pH值从3增加到11时，在电子热通量为3000 W/m2的条件下，输出功率密度从46.91 mW/m2提升至83.01 mW/m2，同时离子热电系数保持在0.47 mV/K左右，这归功于纳米孔表面电荷密度的增强。

通过这些实验结果可以看出，ITOEC装置在低品位废热回收方面具有显著的优势。其不仅能够有效管理电子散热器的温度，还能实现高效的能量转换。这种技术的出现为电子设备的热能回收提供了一条新的途径，有助于减少能源浪费并提高整体能效。未来的研究可以进一步优化离子交换膜的性能，探索更多适用于不同应用场景的离子热电材料，并推动该技术在实际工程中的应用。