Les appareils modernes qui utilisent des batteries lithium-ion, comme les smartphones et les voitures électriques, semblent assez robustes. Mais essayez d'en utiliser un dans des conditions de chaleur ou de froid extrêmes. Vous verrez à quel point ils sont susceptibles de connaître des dysfonctionnements et de perdre leurs performances en raison de la température. Les ingénieurs de l'université Purdue ont mis au point une solution : des « interrupteurs thermiques » composés de mousse de graphène compressible. Un interrupteur qui s'adapte dynamiquement aux températures à l'intérieur et à l'extérieur de l'appareil afin de maintenir une gestion thermique cohérente.
La mousse de graphène comme interrupteurs thermiques
À mesure que les appareils électroniques deviennent plus petits et plus puissants, la gestion de la chaleur devient un problème plus crucial. La plupart des dispositifs utilisent la gestion thermique passive, comme la conduction et la convection, pour déplacer l'excès de chaleur. Mais ce système n'est pas accordable ou réglable, et n'aide pas du tout dans des conditions de froid.
D'autres chercheurs ont proposé diverses formes d'interrupteurs thermiques, qui s'allument pour évacuer la chaleur ou s'éteignent pour garder la chaleur à l'intérieur. Mais ces systèmes sont soit entièrement activés, soit entièrement désactivés. Ils n'ont donc pas la capacité de s'adapter de manière variable aux changements de température.
La mousse de graphène est un produit disponible dans le commerce. Un produit construit à partir de particules nanoscopiques de carbone déposées selon un motif spécifique, avec de petits vides d'air entre elles. Lorsque la mousse n'est pas comprimée, elle agit comme un isolant, les poches d'air maintenant la chaleur en place. Mais physiquement comprimée, la mousse laisse échapper l'air. Une plus grande quantité de chaleur est conduite à travers la mousse. La quantité de transfert de chaleur peut être réglée avec précision en fonction du degré de compression de la mousse.
Une conductance thermique multipliée par 8
Les chercheurs de Purdue ont mesuré la conductance thermique de la mousse au Birck Nanotechnology Center de Purdue. Ils ont pris en sandwich un échantillon de mousse de graphène de 1,2 millimètre d'épaisseur entre un appareil de chauffage et un dissipateur thermique. Ils ont ensuite placé le système sous un microscope infrarouge pour mesurer la température et le flux de chaleur. En comprimant complètement la mousse à une épaisseur de 0,2 millimètre, la conductance thermique a été multipliée par 8.
Cela fonctionne comme une résistance dans un circuit électrique. Au lieu de faire varier la quantité de courant qui passe, elle fait varier la quantité de chaleur qu'elle laisse passer.
Ils ont également mené une expérience dans une chambre du Flex Lab de Purdue. Une chambre capable des conditions environnementales spécifiques. Les résultats obtenus sont similaires avec des températures ambiantes allant de 0 °C (32 F) à 30 °C (86 F). Ils ont placé la mousse de graphène au-dessus d'une source de chaleur pour simuler un appareil électronique. Les chercheurs ont ensuite utilisé des thermocouples pour mesurer la température.
Bien que l'expérience ne soit qu'une preuve de concept, cette forme de gestion thermique dynamique a des applications potentielles au-delà des téléphones portables. Elle pourrait potentiellement s'appliquer dans des appareils électroniques plus grands. Des appareils comme des batteries de voitures électriques, des véhicules spatiaux et même des appareils biomédicaux.
L'objectif est d'utiliser des commutateurs thermiques pour que tous ces appareils fonctionnent efficacement dans des environnements variables. Ce qui améliorera leur efficacité énergétique globale.
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