《Carbon Energy》：Passive Moisture-Driven Cooling via Low-Cost and Shape-Stabilized Hygroscopic Composite Foam for High-Power Electronics
编辑推荐：
为应对高功率电子产品过热导致的性能与寿命下降难题，本研究创新性地开发了一种基于改性三聚氰胺泡沫（MF）的被动式冷却复合材料（MF-BLP）。该材料通过整合氮化硼（BN）和溴化锂（LiBr）/聚乙烯醇（PVA）凝胶，利用水分吸附-蒸发的高潜热实现高效散热。研究证实，该材料在模拟芯片、高倍率锂离子电池（LIBs）和光伏（PV）面板上分别实现了高达37°C、26°C和15°C的降温效果，显著提升了器件性能和光电转换效率，为下一代电子设备提供了一种可持续、免维护的热管理方案。
随着电子设备日益微型化和高集成化，其内部高功率密度产生的热量堆积已成为一个严峻挑战。就像手机长时间玩游戏会发烫、电动汽车快充时电池温度飙升一样，过热会严重损害电子设备的性能、可靠性和使用寿命。对于光伏面板，温度每升高1°C，其能量转换效率就会下降0.4%–0.5%；对于锂离子电池，超过45°C的工作温度会引发一系列有害副反应，导致容量衰减和寿命缩短。传统的风冷、水冷等主动散热方案需要额外的风扇和泵，存在体积大、噪音高、能耗多等局限，而固-液相变材料（PCMs）则受限于较低的相变焓（通常低于200 J g-1），整体散热能力不足。近年来，受哺乳动物汗液蒸发散热机制启发，基于吸湿材料的液-气相变冷却技术展现出巨大潜力，它利用水蒸发的高潜热（约2400 J g-1）进行高效散热。然而，金属有机框架（MOFs）材料成本高昂，传统水凝胶则在环境中易脱水，需要频繁补液。因此，开发一种低成本、免维护、高效且稳定的被动冷却材料迫在眉睫。
为此，研究团队在《Carbon Energy》上发表论文，提出了一种创新的解决方案。他们设计并制备了一种低成本的形态稳定吸湿复合泡沫（MF-BLP），它由多孔三聚氰胺泡沫（MF）作为骨架，负载了经氮化硼（BN）和溴化锂（LiBr）改性的聚乙烯醇（PVA）凝胶。该材料能在设备低功率或待机时从环境中动态吸收水分，并在高功率工作时通过水分蒸发释放潜热，实现完全被动的热管理。
本研究主要采用了以下几个关键技术方法：首先，通过超声辅助水解制备羟基化氮化硼纳米片（BN–OH），以增强其与PVA的氢键结合及复合材料的导热性。其次，将BN–OH、LiBr与PVA溶液混合后，通过真空浸渍和干燥工艺，将其均匀负载到多孔MF骨架上，形成MF-BLP复合薄膜。性能表征方面，研究团队利用扫描电子显微镜（SEM）和能量色散谱（EDS）分析了材料的微观形貌与元素分布；通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）验证了BN的羟基化；并利用热重分析（TG）和差热分析（DTA）研究了材料的水分吸附-脱附行为。为评估冷却性能，团队构建了模拟芯片加热平台、高倍率电池充放电测试系统以及光伏面板户外光照实验装置，通过热电偶和红外热像仪精确监测温度变化，并测量了光伏面板的电输出性能以计算效率提升。
2.1 MF-BLP复合材料的设计、制备与表征
研究人员通过将羟基化BN（BN–OH）、LiBr和PVA的混合浆料浸渍到MF骨架中，制备了MF-BLP复合材料。表征显示，BN/LiBr/PVA复合物均匀分布在MF基质中，呈现孔径约100-200 μm的多孔结构，这有利于增加吸湿盐与空气的接触面积。FTIR和XPS分析证实了BN表面的羟基化成功。该复合材料在完全水合和完全干燥状态间能保持形态稳定。
2.2 MF-BLP复合材料在模拟芯片上的冷却性能
在模拟芯片加热测试中，覆盖MF-BLP复合材料的芯片平衡温度仅为63.4°C，而裸铜散热片下的芯片温度高达92.5°C，降温效果显著。在间歇性工作循环测试中，MF-BLP能使芯片温度稳定维持在约48°C，与裸铜（约85°C）形成约37°C的稳定温差。优化实验表明，当BN含量为14.3 wt%时，样品表现出最佳的散热性能，其热导率显著提升。环境湿度显著影响薄膜的散热性能，湿度越高，散热效果越好。TG-DTA分析证实，薄膜吸附的水分会随温度升高快速脱附，从而向环境释放热量。
2.3 MF-BLP复合材料对锂离子电池和光伏电池的冷却效果
在高倍率（8 C）放电测试中，使用MF-BLP的锂离子电池峰值温度为53.1°C，相比裸电池的79.3°C降低了26.2°C，且该温差在连续四个循环中保持稳定。在不同充放电速率下，MF-BLP均能有效抑制电池温升。对于大容量（25 Ah）方形电池，在2 C放电时，MF-BLP使其峰值温度降低了12.27°C。该复合材料还表现出优异的阻燃性和耐热性。在光伏冷却测试中，在1000 W m?2的光照下，覆盖MF-BLP的面板温度稳定在55°C，比裸面板（70°C）降低了15°C。这降低了面板电阻和电能损耗，将光电转换效率从13%提升至13.5%。全天监测显示，MF-BLP能使面板最高温度降低约10°C，且经过多次吸湿-解吸循环后，其吸湿能力未发生衰减。
3 结论
本研究成功展示了一种利用MF基复合材料实现被动热管理的低成本、可扩展策略。所制备的MF-BLP薄膜在循环工作中可将模拟芯片温度降低约37°C，将高倍率充放电下的锂离子电池峰值温度降低高达26°C，并在1000 W m?2光照下将光伏面板温度降低15°C，从而提升了功率输出和光电转换效率。这些结果突显了MF-BLP作为一种坚固、灵活且无需外部能源的热管理材料，在下一代电子设备、大容量电池和光伏系统中具有巨大应用潜力。
4 讨论与意义
该研究的核心创新在于巧妙整合了多孔骨架、高导热填料和强吸湿盐，实现了水分“智能”吸附与蒸发的循环，利用水蒸发的高潜热进行高效、被动的散热。相较于传统的主动散热和固-液相变材料，该策略无需外部能量输入，且散热能力更强。与昂贵的MOFs和易脱水的传统水凝胶相比，MF-BLP具有成本低、形态稳定、可长期使用的优势。其材料成本估算约为700元人民币/平方米，具有良好的成本竞争力，且所用材料化学性质稳定、无毒，环境友好。这项工作为解决高功率电子设备的热管理难题提供了一种切实可行、可持续且免维护的新途径，对延长设备寿命、提升能源效率具有重要意义。
