仿哺乳动物皮肤的被动冷却膜问世 新型电池也会“出汗”

锂离子电池在工作过程中虽然只将不到10%的能量转化为热量，但这部分热如果得不到有效控制，会加速电池老化，甚至在极端情况下引发热失控和火灾。与之形成鲜明对比的是，人类这种“低效”的电化学系统每天产生的热量足以把上百杯茶水煮沸，却仍能保持体温稳定，关键就在于皮肤及其出汗散热机制。香港城市大学研究团队近日受此启发，开发出一种“仿皮肤自适应纳米复合冷却膜”，让电池也能够像哺乳动物皮肤一样“出汗降温”。

多年来，从手机到电动车，几乎所有锂电系统都必须配备热管理系统，包括风扇、散热片、液冷回路和相变材料等，以把电芯温度维持在安全范围内。这些方案虽然成熟有效，却往往结构复杂，占用空间，还需要额外耗电。研究团队认为，自然界已经给出了高效且优雅的解决方案——哺乳动物皮肤通过“出汗+蒸发”完成极高效率的体温调节，如果能将这一机理以工程化方式移植到电池上，将有望同时提升性能、安全性与系统简化度。

据介绍，这种新型冷却膜像“皮肤”一样包覆在电池外表，由氯化锂（LiCl）、氧化石墨烯（GO）、活性碳纤维（ACF）等功能材料构成，并被封装在多孔聚四氟乙烯（PTFE）膜中，再由铜框架支撑。各个组分分工明确：LiCl是一种高吸湿性盐类，在温度较低时可以从空气中吸收并储存水分；氧化石墨烯形成高效的导热网络，将电池产生的热量迅速在膜内铺开；活性碳纤维的多孔结构显著增加蒸发面积；铜框架帮助热量均匀分布，避免局部饱和；PTFE外膜则阻止溶液泄漏，同时允许水蒸气自由透过。

当电池升温时，膜内储存的水分吸收热量并迅速蒸发，将热量带离电池表面，这一过程被称为“解吸冷却”。当电池冷却下来后，膜又会自发从周围空气中重新吸水，恢复“水分库存”，为下一轮工作做好准备。研究团队指出，这种自适应吸放湿特性，使得冷却膜可以在不同工况下自动调节自身状态，无需外部控制系统即可实现连续循环。

实验数据表明，该自适应冷却膜在概念验证测试中可实现平均802.5 W·m⁻²的冷却功率，并在2.7 kW·m⁻²的高热流密度下将温度拉低34.3摄氏度（约61.7华氏度）。在一块标称3.7 V/12 Ah的商用锂离子电池上进行高倍率充放电试验时，使用该冷却膜的电池循环寿命从118次延长到了233次，几乎翻倍。研究人员指出，在接近高性能电池真实工况的强热负荷条件下，材料仍能实现超过30摄氏度的降温，足以显著抑制性能衰减与安全风险。

除了冷却能力，这种纳米复合膜还具备优良的阻燃属性，在通常可能引发燃烧的条件下可有效阻止热失控蔓延。在测试中，膜在超过1000小时的严苛循环使用后仍保持稳定的热管理性能，显示出较好的耐久性和可重复性。更关键的是，整个系统属于被动冷却，无需任何额外供电：膜中的LiCl在电池温度下降时会自动从空气中重新吸湿，为下一次散热“充能”。

“我们的目标是开发一种被动、紧凑、低成本且实用的热管理方案，在无需外部能量输入的前提下提供强冷却能力，同时兼顾实际电池运行过程中的可靠性和安全性。”项目负责人隋增光博士表示。由于结构简单、体积紧凑，这种冷却膜在设计上具有很高的可扩展性，可根据需求放大或缩小尺寸，从便携式电子设备到大型电动汽车电池包都有望应用。

不过，研究团队也提醒，目前这一技术更适合热负荷呈间歇或周期性变化的场景，在持续高热流密度工况下，由于材料需要时间降温并重新吸湿，冷却能力会受到一定限制。换言之，这是一种非常适合“间歇高功率工作”的被动冷却解决方案，而非针对持续极端高温环境的一刀切答案。

尽管仍处于相对早期阶段，距离全面产业化尚需进一步研发与验证，研究人员对其前景颇为乐观。他们认为，凡是对轻量化、体积紧凑、无需额外供电却又需要“有意义的冷却能力”的场景，这一技术都具有相当吸引力，尤其是在类人机器人和无人机等对重量和封装约束极为敏感的领域。相关研究论文已发表于期刊《ACS Nano》，更详细的技术细节亦在文中披露。