@ 2017.03.23 , 13:00

同时供电和冷却芯片的液流电池

瑞士苏黎世联邦理工学院和IBM苏黎世研究院的研究人员发明了一种微型氧化还原液流电池,利用这种集成液流电池可实现对未来的电脑芯片栈(将芯片像千层饼似的堆叠起来以节省空间和能量)的同时供电和冷却。在液流电池中,通过闭合的电解液回环从外部将电解液泵入电池,基于两种电解液产生电化学反应,从而产生电力。

苏黎世联邦理工学院热力学教授Dimos Poulikakos说:“利用液体燃料能很好地实现芯片的运作,并能自己产生电力。”由于科学家们采用的两种液体既适用于液流电池电解液也适用于冷却介质,芯片多余热量能通过相同的循环排除。

该液流电池的厚度仅为约1.5毫米。未来的想法是将芯片进行一层一层的堆叠组装:先是一层电脑芯片,然后一层供电和冷却的薄片电池组,然后又是一层电脑芯片,如此循环。

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未来电脑中可能使用三维芯片栈。其中集成的微尺度液流电池可实现同时供电和冷却

破纪录的输出功率密度

以前的液流电池尺寸较大,主要用在静态电力储存应用中,比如与风力发电站和太阳能发电厂结合暂时储存产生的能量,供以后使用。Poulikakos组内的一名博士研究生Julian Marschewski说道:“我们是世界上首个发明这么小的能够结合能量供给和冷却作用的液流电池的团队。”

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管道网络保证了电解液穿过多孔电极进行电化学反应

该新型微型电池也创下了同尺寸下的输出功率密度世界纪录:电池表面每平方厘米1.4瓦特。即使扣除将电解液泵入电池所需能量,仍然剩余每平方厘米1瓦特的能量密度。同时正如研究者在实验中所展示的,电解液实际上也能冷却芯片,散热量甚至数倍于电池产生的电能(芯片运行时转换为了热能)。

利用3D打印优化的管道系统

据科学家称,构建新型微型液流电池最严峻的挑战是如何以尽可能小的功率泵入电解液,同时尽可能提高电解液供给电池的效率。“找到其中的理想折中点十分重要。”

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3D打印的聚合物通道内壁。电解液在凹处流动,放大后的图片对应原本的3*4毫米的部分。

电池中的电化学反应发生在两块被薄膜隔离的多孔薄电极层上。Marschewski和他的同事们使用3D打印技术构建了一个聚合物管道系统将电解液尽可能高效地压入电极层。经过对不同设计的多次测试,最终发现一种楔形会聚槽最具效率。

对更大系统的研究

科学家们现已实现了小型液流电池的概念验证。尽管新型液流电池的能量密度非常高,但所产生的电能对于运行电脑芯片而言仍稍显不足。要将液流电池应用于芯片栈中,仍需要工业制造中进行进一步的优化。

科学家们指出,该新方法同样可用于其他应用中:比如需要同时供能和冷却的激光器,或者是太阳能电池。此外,通过迫使电解液通过多孔电极,可实现对大型液流电池的优化提升。

关于液流电池

电池以化学形式存储能量并通过电化学反应将其转换为电能。传统的离子电池将能量存储于两个固定的电极中,但液流电池将能量存储于通过分离的线路泵入的两种电解液中。Julian解释道:“原则上液流电池是可充电燃料电池。”但燃料电池只能将化学能转换为电能,液流电池却能进行双向转换。

传统电池要存储更多的能量,就必须增大体积、增加重量。而液流电池的电解液由外部输送,因此其电池本体就能设计得更小更轻,不过也需要额外的液体供应系统。

本文译自 phys,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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