同時供電和冷卻晶元的液流電池

瑞士蘇黎世聯邦理工學院和IBM蘇黎世研究院的研究人員發明了一種微型氧化還原液流電池，利用這種集成液流電池可實現對未來的電腦晶元棧(將晶元像千層餅似的堆疊起來以節省空間和能量)的同時供電和冷卻。在液流電池中，通過閉合的電解液迴環從外部將電解液泵入電池，基於兩種電解液產生電化學反應，從而產生電力。

蘇黎世聯邦理工學院熱力學教授Dimos Poulikakos說：「利用液體燃料能很好地實現晶元的運作，並能自己產生電力。」由於科學家們採用的兩種液體既適用於液流電池電解液也適用於冷卻介質，晶元多餘熱量能通過相同的循環排除。

該液流電池的厚度僅為約1.5毫米。未來的想法是將晶元進行一層一層的堆疊組裝：先是一層電腦晶元，然後一層供電和冷卻的薄片電池組，然後又是一層電腦晶元，如此循環。

未來電腦中可能使用三維晶元棧。其中集成的微尺度液流電池可實現同時供電和冷卻

破紀錄的輸出功率密度

以前的液流電池尺寸較大，主要用在靜態電力儲存應用中，比如與風力發電站和太陽能發電廠結合暫時儲存產生的能量，供以後使用。Poulikakos組內的一名博士研究生Julian Marschewski說道：「我們是世界上首個發明這麼小的能夠結合能量供給和冷卻作用的液流電池的團隊。」

管道網路保證了電解液穿過多孔電極進行電化學反應

該新型微型電池也創下了同尺寸下的輸出功率密度世界紀錄：電池表面每平方厘米1.4瓦特。即使扣除將電解液泵入電池所需能量，仍然剩餘每平方厘米1瓦特的能量密度。同時正如研究者在實驗中所展示的，電解液實際上也能冷卻晶元，散熱量甚至數倍於電池產生的電能(晶元運行時轉換為了熱能)。

利用3D列印優化的管道系統

據科學家稱，構建新型微型液流電池最嚴峻的挑戰是如何以儘可能小的功率泵入電解液，同時儘可能提高電解液供給電池的效率。「找到其中的理想折中點十分重要。」

3D列印的聚合物通道內壁。電解液在凹處流動，放大後的圖片對應原本的3*4毫米的部分。

電池中的電化學反應發生在兩塊被薄膜隔離的多孔薄電極層上。Marschewski和他的同事們使用3D列印技術構建了一個聚合物管道系統將電解液儘可能高效地壓入電極層。經過對不同設計的多次測試，最終發現一種楔形會聚槽最具效率。

對更大系統的研究

科學家們現已實現了小型液流電池的概念驗證。儘管新型液流電池的能量密度非常高，但所產生的電能對於運行電腦晶元而言仍稍顯不足。要將液流電池應用於晶元棧中，仍需要工業製造中進行進一步的優化。

科學家們指出，該新方法同樣可用於其他應用中：比如需要同時供能和冷卻的激光器，或者是太陽能電池。此外，通過迫使電解液通過多孔電極，可實現對大型液流電池的優化提升。

關於液流電池

電池以化學形式存儲能量並通過電化學反應將其轉換為電能。傳統的離子電池將能量存儲於兩個固定的電極中，但液流電池將能量存儲於通過分離的線路泵入的兩種電解液中。Julian解釋道：「原則上液流電池是可充電燃料電池。」但燃料電池只能將化學能轉換為電能，液流電池卻能進行雙向轉換。

傳統電池要存儲更多的能量，就必須增大體積、增加重量。而液流電池的電解液由外部輸送，因此其電池本體就能設計得更小更輕，不過也需要額外的液體供應系統。

[CliffBao via phys]

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！