厦门大学《JMCA》:具有可逆可调热阻的石墨烯气凝胶，用于电池热管理

成果简介

极端温度条件下电子设备的热管理非常重要。具有低热阻的碳基材料有利于冷却电子设备，而具有高热阻的气凝胶则起到隔热作用。然而，使用相同的材料实现热传导和隔热是一项重大挑战。本文，厦门大学张学骜 教授、蔡伟伟教授、张宇锋副教授等在《J. Mater. Chem. A》期刊发表名为“A graphene aerogel with reversibly tunable thermal resistance for battery thermal management”的论文，研究采用溶剂热法合成了石墨烯气凝胶，高温退火降低了石墨烯气凝胶的热阻。具有可调热阻的弹性石墨烯气凝胶使其具有隔热和导热的双重功能成为可能。

80%压缩应变的石墨烯气凝胶的热阻比原始状态低3.3倍。在锂离子电池（LIB）的热管理过程中，原始的石墨烯气凝胶就像一个热绝缘体，在环境温度较低（-20°C）时防止LIB的热量损失，从而使温度提高9°C，并使LIB的放电容量提高26%。相反，当工作温度较高（40°C）时，具有低热阻的压缩石墨烯气凝胶充当热界面材料，散发LIB的过多热量并防止过热。

图文导读

图1、 GA 和 GA3000 的热性能和表征

图2. GA3000的热性能和机械性能

图3 、GA3000的结构基础用于LIB热管理

图4、 在冷 （a） 和热 （b） 环境中运行的 LIB 热管理系统示意图。基于 COMSOL 仿真的 LIB 在 −20 °C （c） & （e） 和 40 °C （d） & （g） 下工作时的表面温度比较。（f） LIB和GA3000之间的接触界面示意图。（h） LIB和CGA3000之间接触界面的示意图。

图5 、在炎热和寒冷环境中运行的 LIB 的热管理

小结

本研究采用溶剂热法合成了石墨烯气凝胶，并通过高温退火提高了石墨烯气凝胶的导热系数。GA3000的热阻可以通过改变应变进行可逆调节，使其成为适合用于热管理系统的功能材料，该系统可以根据环境条件调节LIB的温度。具有可调热阻的弹性石墨烯气凝胶使其具有隔热和导热的双重功能成为可能。与传统的热管理策略相比，GA3000可以在更大的范围内连续调节热阻（GA3000的开关比约为3.3）。使用GA3000的热管理系统部署在冷热环境中运行的LIB。当环境温度较低（−3000°C）时，使用GA9作为热绝缘体的系统，锂离子电池的温度比裸锂离子电池的温度高20°C。这导致LIB的放电容量提高了26%。当环境温度变为40 °C时，使用CGA3000作为热界面材料的系统的LIB温度比纯LIB的温度低17 °C，有效防止LIB过热。具有不同应变的GA3000满足不同环境下对LIB热管理的相反需求。这些观察结果为为LIB和其他在宽温度范围环境中工作的器件设计自适应热管理系统提供了一种新颖的解决方案。

文献：https://doi.org/10.1039/D3TA03190J