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  太陽(yáng)能電池、芯片、LED燈等半導(dǎo)體能量轉(zhuǎn)換器件在工作過(guò)程中，會(huì)將大部分輸入能量轉(zhuǎn)換為熱能，這部分能量通常直接排放到空氣中而造成不小的能量浪費(fèi)。若能有效地對(duì)這部分熱能加以回收利用可大大提高半導(dǎo)體器件能量轉(zhuǎn)換效率�，F(xiàn)有的回收利用手段主要依賴于半導(dǎo)體熱電器件，但當(dāng)熱電單元依附于發(fā)熱元件之后反而會(huì)增加器件散熱熱阻，使發(fā)熱元件的自身溫度變得更高，并降低器件的能量轉(zhuǎn)換效率；雖然熱電單元能夠回收一部分電能，但其回收的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于核心能量轉(zhuǎn)換器件效率降低所帶來(lái)的損失，因而熱電單元的使用反而使得器件的整體能量效率降低。因此在考慮這些半導(dǎo)體電子設(shè)備的余熱回收時(shí)，必須同時(shí)兼具高效散熱，才有可能實(shí)現(xiàn)效率提升。

  針對(duì)這一問(wèn)題，武漢大學(xué)劉抗研究員、胡雪蛟教授聯(lián)合加州大學(xué)洛杉磯分校陳俊教授設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種智能熱電水凝膠。水凝膠內(nèi)部離子的氧化還原反應(yīng)和水分的蒸發(fā)/吸收過(guò)程形成兩個(gè)獨(dú)立的熱力學(xué)循環(huán)，從而可在熱電轉(zhuǎn)換的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效發(fā)汗冷卻，如圖1所示。該思路避免了傳統(tǒng)半導(dǎo)體熱電器件在余熱回收過(guò)程中無(wú)法有效散熱的問(wèn)題，提供了一種新的電子設(shè)備廢熱利用思路。

圖1. 水凝膠的結(jié)構(gòu)和工作原理

  如圖2所示，該水凝膠呈黃色半透明狀，具有良好的機(jī)械性能和較高的含水量。同時(shí)該水凝膠具有很好的環(huán)境穩(wěn)定性。它在環(huán)境條件下可以長(zhǎng)時(shí)間的保持自身形態(tài)和含水量，克服了傳統(tǒng)水凝膠在環(huán)境條件下會(huì)持續(xù)脫水變干的問(wèn)題，如圖2。

圖2. 水凝膠的表征和性質(zhì)

  同時(shí)，該水凝膠具有良好的熱電轉(zhuǎn)換特性，如圖3所示。其Seebeck系數(shù)為1.2 mV/K，有效導(dǎo)電系數(shù)在100 mS/cm左右，導(dǎo)熱系數(shù)在0.30-0.39 W/(m.K)范圍內(nèi)。發(fā)電功率因子為6.5-12 mW/(mK²)。根據(jù)熱化學(xué)電池自身的性質(zhì)，水凝膠的熱電轉(zhuǎn)換特性仍有很大的提升空間。在不同溫度下，熱電水凝膠的輸出也能保持穩(wěn)定。

圖3. 水凝膠的熱電性能

  該水凝膠的另外一個(gè)重要特性是水凝膠內(nèi)氧化還原反應(yīng)在發(fā)生的同時(shí)內(nèi)部的水分可以自由的進(jìn)出水凝膠。如圖4所示，當(dāng)溫度升高時(shí)，該水凝膠會(huì)快速蒸發(fā)失去一部分水量；但當(dāng)溫度下降的時(shí)候，水凝膠又會(huì)吸收周圍環(huán)境中的水蒸氣使自己回復(fù)到初始狀態(tài)。這一水分的蒸發(fā)/吸收的自發(fā)熱力學(xué)循環(huán)，使得該水凝膠薄膜具有很強(qiáng)被動(dòng)散熱能力，能夠在廢熱回收利用的同時(shí)能有效的散熱，保持設(shè)備的低溫工作。并且所有這些功能的實(shí)現(xiàn)全部集成于一片水凝膠薄膜，能夠被動(dòng)式運(yùn)行。

圖4. 不同溫度下水凝膠內(nèi)部水分循環(huán)過(guò)程

  大功率電池在日常生活中應(yīng)用十分廣泛，但其在快速充放電過(guò)程產(chǎn)生的大量熱量容易帶來(lái)安全問(wèn)題。將一片2 mm厚的熱電水凝膠薄膜附著在電池的一面，它成功地將快速放電中的電池溫度降低20 oC，與此同時(shí)還可以回收一部分電能，這部分電能可用于電池自身狀態(tài)的自驅(qū)動(dòng)監(jiān)測(cè)或系統(tǒng)智能調(diào)控，如圖5所示。這些性能展示了該水凝膠在解決電子器件設(shè)備的高熱和低品位熱能浪費(fèi)方面的巨大潛力。

圖5. 水凝膠在手機(jī)電池上的熱能回收及散熱應(yīng)用

  以上相關(guān)研究成果于Nano Letters發(fā)表。論文題目：Thermogalvanic Hydrogel for Synchronous Evaporative Cooling and Low-Grade Heat Energy Harvesting。論文第一作者為武漢大學(xué)2017級(jí)博士生蒲詩(shī)睿，武漢大學(xué)為論文第一署名單位，該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c00800