普渡大学团队开发用于电池和电子设备的石墨烯可调谐热调节器

普渡大学的研究人员开发了基于可压缩石墨烯泡沫复合材料的正在申请专利的固态连续可调热器件。这些设备可以散热，防寒，并在很宽的温度范围内发挥作用。

这些器件有可能提高电子设备和系统中的电池安全性和性能，如电池热管理、空间调节、车辆热舒适性和热能存储。

“随着电池和电子设备变得越来越强大，管理热量成为一个更加重要的问题，”Xiulin Ruan说。“我们都知道人类的温度范围很窄，无法舒适地生活，这就是为什么我们在夏天穿衬衫来保持凉爽，冬天穿外套来保暖。同样，电池和电子设备的温度范围也很窄，无法正常工作，甚至比人类更’挑剔’。

Amy Marconnet说：“如果电池太热，它们的性能会很差。当它们升温时，会发生化学反应，使它们升温得更快。这种不稳定的反应进程被称为“热失控”，甚至可能导致火灾和爆炸。另一方面，如果温度太低，电池会遭受内部损坏。它会导致性能不佳，例如电动汽车的行驶里程更短，手机使用时间更少。

传统的热开关类似于调节电流的电气开关，仅通过改变开和关状态之间的导通来调整电池的散热路径。Ruan说，普渡发明的热调节器通过改变调节器内部材料的厚度来改进这项技术，这有助于电池不断适应不同的气候和季节。

“与人们在寒冷时穿上外套或在温暖时穿泳衣不同，电池在传统的热管理技术中到处都穿着相同的’衣服’，”Marconnet说。“通过使用热调节器来调整电池与环境之间的路径，我们可以在寒冷的条件下对电池进行隔离，并使在温暖的条件下非常容易散热。

Ruan和Marconnet使用的市售可压缩石墨烯泡沫由纳米级碳颗粒以特定模式沉积而成，中间有小空隙。当它未压缩时，泡沫充当绝缘体;气穴将热量保持在适当的位置。当它被压缩时，空气逸出并在整个过程中传导热量。传热量可以根据泡沫的压缩程度精确调整。

Marconnet 和 Ruan 在 Purdue 的 Birck 纳米技术中心测量了泡沫的热导率。他们将 1.2 毫米厚的石墨烯泡沫样品夹在加热器和散热器之间，并将系统置于红外显微镜下以测量温度和热流。当他们将泡沫完全压缩到 0.2 毫米的厚度时，热导率上升了 8 倍。他们还在 Purdue 的 Flex 实验室的一个房间里进行了一项实验，该实验可以创造特定的环境条件，并在环境温度为零摄氏度（32 华氏度）至 30 摄氏度（86 华氏度）。

“同样的方法可以应用于需要保持在精确温度下的科学或工业应用的传感器和探测器，以及一系列应用中的电子设备，”Ruan说。“它还可能有助于保持太空飞行器的适当温度，这些飞行器面临着极热和极冷的恶劣环境。

Marconnet和Ruan概述了进一步开发普渡热调节器的后续步骤：“我们希望提高调节器可实现的热导范围。最好的热调节器的性能比仅为 10。与电力运输相反，电阻可以变化许多数量级。如果我们能够使良好的导热性更好，而不良的热导性更差，我们就可以使更有效的调节器，“Marconnet说。“此外，在实验室中，热调节器是手动驱动的。我们将努力使这一过程自动化，可能会从温度传感器获取反馈以自动调整参数。