关键词

石墨烯气凝胶 动态热管理 动态热辐射调控

有效的热管理是确保电子设备在极端温度条件下正常运行的关键。一般而言，高温环境下应采用低热阻材料冷却电子设备，而低温环境下则需要高热阻材料对电子设备进行保温。然而，使用相同的材料实现热阻的动态调控依然是一项重大挑战。厦门大学二维材料与物性调控研究课题组张宇锋副教授等已经利用溶剂热法合成石墨烯气凝胶——由石墨烯构筑的三维空间连续分布的多孔结构，发现其不仅拥有优异的力学性能（如高弹性），而且展现出独特的热导率动态调控特性【Journal of Colloid and Interface Science 619, 369–376 (2022)】。

在此基础上，团队利用高温退火等工艺开发了新型可调热阻的石墨烯气凝胶，使其具有隔热和导热的双重功能。如图1所示，以锂离子电池为对象开展的热管理应用研究中，当环境温度较低（-20°C）时，石墨烯气凝胶处于未压缩态（热阻达229 cm²·K/W），有效减小锂离子电池的热量损失，从而使其工作温度快速上升到0°C以上，最终稳定工作温度相对于未采用热管理系统的锂离子电池高9°C，有效提升了锂离子电池的放电容量（高26%）。相反，当环境温度较高（40°C）时，石墨烯气凝胶处于压缩态（热阻为70 cm²·K/W），有效耗散锂离子电池运行时产生的热量，使其工作温度不超过46°C，比未采用热管理系统的锂离子电池低17°C。这有效提升了锂离子电池在极端温度环境下运行的稳定性和安全性。

图1 基于石墨烯气凝胶的锂离子电池动态热管理系统

此外，团队还利用静电门控离子插层的方式，实现石墨烯气凝胶红外发射率的动态调控（如图2所示）。其调制深度与多层石墨烯基器件相当，但是器件寿命获得显著延长（约5倍）且极大地降低了制备成本。研究表明，石墨烯构筑的三维多孔结构有助于避免离子插层、离子液体扩散等对于材料结构完整性的破坏，并可以提升电化学活性面积，有助于改善电荷转移性能，提升石墨烯掺杂效率。同时，由于石墨烯气凝胶表面粗糙度随压缩程度增大而减小，改变了其表面漫反射特性，因此通过调控石墨烯气凝胶的压缩状态也可以动态改变其红外发射率。

图2 基于石墨烯气凝胶的红外辐射动态调制器

上述研究成果有助于实现热传导与热辐射的协同调控，为锂离子电池等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。相关成果分别以“A graphene aerogel with reversibly tunable thermal resistance for battery thermal management”和“Tuning Infrared Emissivity of Graphene Aerogel Through Ion Intercalation”为题发表在Journal of Materials Chemistry A和Physical Review Applied上。论文第一作者分别为博士生程书建、柯海波，通讯作者为张宇锋副教授、张学骜教授和蔡伟伟教授。

文章链接：

https://doi.org/10.1039/d3ta03190j https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.18.034003