来源 | Nexus

链接 | https://doi.org/10.1016/j.ynexs.2025.100103

01

背景介绍

随着人工智能时代对数据处理和通信需求的不断攀升，电子元器件的热管理技术面临着越来越严峻的挑战。研究表明，当电子元器件工作温度超过70-80℃时，设备温度每升高2℃，其性能下降约10%。同时，热管理所引起的巨大能耗带来了严重的环境问题。被动式热管理技术因具有零能耗和结构简单等优势引发了人们的广泛关注，有望推动可持续智能化社会发展。

02

成果掠影

近日，香港城市大学吴伟教授领衔的建筑能源与可持续技术团队针对传统热管理技术的高电耗和高水耗问题，提出了一种基于可呼吸离子液体冷却溶液的被动式热管理技术。该被动式热管理技术可在高温下通过水分蒸发产生冷却效果（呼气），并在低温时通过吸收空气中水汽恢复其冷却能力（吸气）。抗结晶的离子液体可以在有效提升降温幅度的同时避免因结晶而导致的局部过热问题。相对于传统的吸湿性盐溶液（LiBr, △T=22.5 °C），所提技术实现了更高的温降效果（△T=29.7 °C）。该热管理技术结合了材料科学、能源技术和热工程设计等多重跨学科领域，可应用于需间歇性热调控的电子元器件（如分布式传感器、物联网设备、可穿戴电子设备等）、光伏板、电池和建筑等领域，为可持续智能化发展提供有力支持。研究成果“Breathable Cooling Solutions Strengthened by Ionic Liquids for Passive Thermal Management towards Sustainable Intelligentization”为题发表在《Nexus》。

03

图文导读

图1.所提出的热管理策略的工作原理、制备过程和特性（A）说明使用AHS的电子设备冷却的示意图。吸湿溶液可以从电子设备吸收热量，通过保护膜释放水蒸气，提供额外的保护，防止过热。(B)描述所提出的冷却策略的工作原理的示意图。在解吸过程中，水蒸气从IL溶液中蒸发，散热。在吸收过程中，高浓度的吸湿溶液从周围空气中捕获水分，自主恢复其冷却能力。(C)用空气侧传质阻力（Rair）、穿过多孔膜的传质阻力（Rsol）和液体侧传质阻力（Rsol）进行电路模拟。(D)AHS的制造工艺示意图基于IL的AHS通过将IL溶液封装到具有疏水PTFE膜的3D打印散热器中来制造。(E)描述在解吸过程中蒸气穿过微孔疏水PTFE膜的原理的简化示意图。(F)由节点和纤维组成的PTFE膜的扫描电子显微镜图像。(G)AHS原型的照片。(H)[EMIM][EtSO₄]的归一化FTIR-ATR光谱，插图显示了不同材料的腐蚀现象。(I)离子液体和LiBr的冷却效应驱动力（蒸汽压差）。

图2.拟议AHS的概念验证实验（A）AHS在环境室中的示意图，将RH和Tamb波动分别保持在3%和1 ° C以下。(B)使用传统和新型吸收剂的AHS的温度降低（RH 60%和Tamb = 25 ° C）。在输入热通量为4 kW/m²和溶液体积为7.22 cm³的情况下，[EMIM][EtSO 4]实现了比传统LiBr更高的29.7 ° C的温度降低。比较基准是图S2中的3D打印散热器。(C)不同加热持续时间下AHS的实验和模拟温度/质量演变的比较。(D)H₂O/LiBr相图中的解吸-吸收循环。(E)不同溶液层厚度和结构的AHS的电子学温度和质量损失。(F)具有5-mm溶液层厚度的样品的温度演变。(G)具有10 mm溶液层厚度的样品的温度演变。(H)不同固溶层厚度和结构样品的质量演化。(I)IL在不同RH条件下的动态吸水性能。误差条表示标准偏差（n = 5）。

图3.为实现最佳冷却性能而对拟议AHS进行IL筛选的数值计算结果（A）弱溶液分数（吸收-再生过程结束时的IL浓度，x弱）和强溶液级分（在解吸-冷却过程结束时的IL浓度，xstr）。浓度滑移被定义为在每个循环期间解吸-冷却过程结束时的IL浓度（xstr）与吸收-再生过程结束时的IL浓度（xweak）之间的差[EMIM][EtSO₄]在所选离子液体中产生最低的弱溶液分数和最宽的浓度滑移（xstr-xweak），为50.4%。(B)各种离子液体的动态冷却性能：电子温度和相应的溶液质量。(C)研究的离子液体的累积冷却效果（RH 60%和Tamb = 25 ℃）。此处，累积冷却效果表示整个循环期间可用的总累积冷却能力。具有最高累积冷却效果的前三个离子液体依次为[EMIM][EtSO₄]、[DMIM][Cl]和[DEMA][OM]。

图4.在各种热通量和循环性能调查下屏蔽[EMIM][EtSO₄]的概念验证实验（A）基于数值计算的在各种热通量下使用[EMIM][EtSO₄]的AHS的电子温度。(B)基于数值计算，研究了不同热流密度下，[EMIM][EtSO₄]的AHS蒸发冷却能力。(C)在4 kW/m²的热通量下，具有[EMIM][EtSO₄]、PCM和PAM@LiCl的样品的温度/质量演变。(D)最先进的吸附剂在30%-40%RH条件下的动态吸水能力比较。51 -57（E）在最初的10个循环（4kW/m²持续180分钟和0 kW/m²持续360分钟）内AHS的温度/质量演变。

图5.拟议AHS的全球冷却潜力分析（A）拟议AHS的全球冷却潜力（累积冷却效应）。初始溶液浓度由当地RH和环境温度确定。(B)北方半球夏季（6月1日至8月31日）拟议AHS的全球冷却潜力。(C)北方半球冬季（12月1日至2月28日）拟议AHS的全球冷却潜力。(D)计算资源丰富区域间的累计降温效果比较。

图6.申报器械与其他被动冷却技术之间的冷却性能比较（A）不同被动冷却技术之间的温度降低比较。使用纯空气冷却方法的基线温度用作x轴，以便于对不同被动冷却技术进行一致和可比的评估。(B)不同PCM 和吸附材料的等效值。（C）LiBr和[EMIM][EtSO₄]的蒸发速率。(D)不同PCM和吸附材料的成本效益（详见表S4和S5）。