近日，武汉大学动机学院刘抗研究员和胡雪蛟教授团队的最新研究成果于Nano Letters（影响因子12.279）发表。论文题目：Thermogalvanic Hydrogel for Synchronous Evaporative Cooling and Low-Grade Heat Energy Harvesting（《热电水凝胶实现同步发汗冷却和低品位热能回收》）。2017级博士生蒲诗睿为该文章第一作者，武汉大学为论文第一署名单位，该研究得到国家自然科学基金的支持。
半导体能量转换器件，如太阳能电池、芯片、LED灯等，在工作过程中超过80%消耗的能量会转换为热能，而这部分能量通常是直接排放到空气中而白白浪费。若能有效地对这部分热能加以回收利用可大大提高半导体器件能量转换效率。现有的回收利用手段主要依赖于半导体热电器件，其面临的巨大问题是：当热电单元依附于发热元件之后，会增加器件散热热阻，从而造成发热元件自身温度升高，核心能量转换器件效率降低；虽然热电单元能够回收一部分电能，但其回收的能量远远低于核心能量转换器件效率降低所带来的额外损失，热电单元的使用反而带来整体能量效率的降低。因此在考虑这些半导体电子设备的余热回收时，必须同时兼具高效散热，才有可能实现效率提升。
针对这一问题，刘抗研究员、胡雪蛟教授团队设计开发了一种智能热电水凝胶。水凝胶内部离子的氧化还原反应和水分的蒸发/吸收过程形成两个独立的热力学循环，从而可在热电转换的同时实现高效发汗冷却。该思路避免了传统半导体热电器件在余热回收过程中无法有效散热的问题，提供了一种新型的半导体能量转换器件余热利用的思路。将该水凝胶薄膜贴覆于发热元件，一方面可直接将废热回收转化为电能，另一方面，水凝胶内部的水分会快速蒸发带走热量，降低器件温度。同时，当器件停止工作后，水凝胶薄膜会从周围的空气中吸收水分，自发实现往复利用。大功率电池在快速充放电过程产生的高温容易带来电池安全问题，将一片2 mm厚的热电水凝胶膜附着在手机电池上，它成功地将快速放电中电池温度降低20℃，与此同时还可以回收一部分电能用于电池自身状态的自驱动监测或系统智能调控。
来源 武汉大学动机学院
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c00800
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