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  隨著電動汽車和儲能系統的不斷進步，電池的熱管理問題變得愈加嚴重。過高的溫度不僅會降低電池性能，還有可能帶來安全隱患。因此，研究人員正致力于開發高效、穩定、低成本的電池散熱材料，以應對這一挑戰。然而，目前大多數熱管理方案集中在溫控單一方面，難以同時實現高效冷卻與安全防護。因此，尋找創新的熱管理技術，以延長電池的使用壽命并提高安全性，成為了一個關鍵研究方向。

  最近，香港城市大學吳偉教授團隊在《ACS Nano》期刊上發布了一項題為《Mammal-Skin-Inspired Adaptive Nanocomposites Cooling Membrane for Passive Battery Thermal Management》研究成果，提出了一種模仿哺乳動物散熱機制的自適應散熱膜。這種膜能夠有效管理電池的熱量，具有散熱與阻燃雙重功能，避免過熱及熱失控傳播等安全問題。該研究的第一作者為香港城市大學博士后隋增光。

  如圖1A所示，哺乳動物通過皮膚汗腺的蒸發作用來調節體溫。受到這一原理的啟發，本研究設計了一種新型的自適應吸濕散熱膜，旨在防止電池因過熱而出現故障。該散熱膜能夠直接附著在鋰離子電池表面，起到熱管理作用（見圖1B）。具體而言，研究團隊使用了石墨烯薄膜作為防腐層，并通過涂覆石墨烯的銅框架進一步增強傳熱性能，同時防止因重力作用引起的吸濕溶液分布不均。該散熱膜的工作原理如圖1C所示：在高溫條件下，LiCl/GO@ACF復合材料中的水分蒸發，從而降低電池溫度（即解吸-冷卻過程）；而當電池溫度較低時，散熱膜會吸收周圍的水分恢復冷卻能力（即吸濕-再生過程）。多孔聚四氟乙烯（PTFE）用于封裝吸濕性材料，其可有效防止溶液泄漏并隔離灰塵，同時允許水蒸氣透過，確保持續有效的熱管理。

圖1 散熱膜工作原理

  圖2A展示了該散熱膜的制作過程。在優化材料性能方面，圖2B展示了不同GO含量（0.5%-5.0%）對LiCl/GO@ACF吸濕性能和熱導率的影響。結果表明，當GO含量超過2.5%時，吸濕能力急劇下降，但熱導率隨著GO含量的增加而提高。因此，研究人員選擇了GO含量為2.5%的LiCl/GO@ACF復合材料，以獲得最佳的綜合性能。為了確保材料的穩定性，研究人員采用了孔徑為1 μm的PTFE膜封裝LiCl/GO@ACF復合材料（圖2C）。圖2D展示了ACF表面的SEM，顯示了均勻的溝槽紋理，這些紋理有助于LiCl/GO的附著。圖2E和圖2F展示了LiCl/GO@ACF-2.5（2.5% GO含量）的形態特征。通過SEM和能譜分析（EDS），研究人員確認LiCl和GO在纖維表面均勻分布，這種均勻分布提高了熱導率，進而增強了復合材料的循環工作能力。圖2G的X射線衍射（XRD）分析顯示，LiCl和GO在ACF基質中成功嵌入。為了進一步確認LiCl/GO@ACF的結構特性，研究人員進行了X射線光電子能譜（XPS）分析，結果表明，LiCl/GO@ACF中極性含氧基團（C-O和C=O）的豐度顯著高于純ACF，這些基團通過氫鍵和偶極-偶極相互作用促進了吸濕性。為了進一步評估LiCl/GO@ACF的阻燃性能，研究團隊根據ISO 4589標準進行了極限氧指數（LOI）測試。結果表明，LiCl/GO@ACF在90%的氧氣濃度下仍然未燃燒，展示了其卓越的阻燃能力。此外，LiCl/GO@ACF的燃燒行為還通過錐形量熱儀進行了進一步分析。在153秒時，LiCl/GO@ACF的峰值熱釋放速率（PHRR）為14.64 kW/m2，而其總熱釋放量（THR）在1800秒為8.31 MJ/m²。極低的PHRR和THR表明LiCl/GO@ACF具有出色的阻燃性能。研究人員進行了燃燒實驗，圖2H展示了干燥的LiCl/GO@ACF上放置的紙張保持完整，無燃燒跡象，而未保護的紙張則會立即點燃。

圖2 散熱膜設計與表征

  為了驗證該散熱膜在實際應用中的長期穩定性，研究團隊將其應用于3.7 V/12 Ah的鋰電池進行測試。在3C充放電循環條件下，散熱膜能夠將電池的最大溫度控制在47.5 °C以下，顯著低于未加裝散熱膜的電池溫度（見圖3A）。由于其優異的溫降效果，經過462次循環（約1000小時）后，電池仍保持90.5%的容量，而未加散熱膜的電池僅經過196次循環容量已下降至80%。此外，研究人員還測試了長期循環后的PTFE膜機械強度及微觀結構。圖3B顯示，PTFE膜的斷裂強度約為21.8 MPa，且其微觀結構完好無損，表明該膜具有很好的穩定性與保護能力，能夠有效地保護LiCl/GO@ACF復合材料。研究團隊進一步評估了散熱膜對高循環速率下電池壽命的影響，結果如圖3C所示，配備散熱膜的電池在經過233次循環后仍保持80%的容量，而裸電池只能維持118次循環。這表明，散熱膜顯著延長了電池的使用壽命，同時提供了1445.9 Ah的額外容量。綜上結果表明，研究團隊提出的散熱膜在實現高效被動冷卻和阻燃保護方面具有巨大潛力。

圖3 循環性能演示

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c11130

作者簡介

通訊作者：吳偉

吳偉，博士，香港城市大學長聘副教授，博士生導師，碩士項目主任，國家優青。華中科技大學學士，清華大學博士，美國馬里蘭大學訪問學者，美國國家標準與技術研究院客座研究員。研究方向包括高效熱泵、高密度儲能、先進熱管理、可再生能源利用、零能耗建筑等。發表SCI論文140篇（The Innovation, Matter, Device, Science Bulletin, AFM, ACS Nano, Carbon Energy, Energy Storage Materials, Nano Energy, RSER, AAE, AE, ECM等），出版Springer Nature、Elsevier專著2部，授權/申請中美專利25項，獲國際發明金獎9項；獲國際制冷學會青年獎、美國NIST杰出研究員獎、斯坦福Top2%頂尖科學家、全球能環優秀青年獎、可持續碳中和獎、全國暖通空調杰出青年、全國超材料優秀青年、城大能環杰出創新獎、城大能環優秀青年、清華特獎、清華學術新秀等榮譽。任SOLAR.E聯合創始人，國際能源署SHC和HPT專家，ICEE2024國際會議共同主席，Renewable and Sustainable Energy Reviews副主編，以及多個SCI期刊編委。

個人信息主頁：https://scholars.cityu.edu.hk/en/persons/wei-wu(74d189ea-20bf-4bab-bd8a-7fed3ba1aea2).html

第一作者：隋增光

香港城市大學博士后，以第一作者在Device（Cell旗艦刊）和Carbon Energy（IF=24.2）等國際一流期刊發表SCI論文14篇，ESI高被引論文1篇，封面論文2篇；擔任SCI期刊Energy（中科院一區TOP期刊）、Sustainability等客座編輯；特邀報告3次；獲2025年國際可持續建筑能源工程大會（SBEE2025）創新青年學者獎（每兩年評選5人）、2023年亞洲國際創新發明獎金獎、第八屆中國(上海)國際發明創新展金獎、第50屆日內瓦國際發明銀獎、中國制冷空調創新競賽一等獎、香港城市大學Outstanding Academic Performance Award等榮譽。

個人信息主頁：

https://scholar.google.com.hk/citations?user=PyIKZGkAAAAJ&hl=zh-CN&oi=ao