华南理工大学陈伟程Nature Communications：基于MOF的大气水收集装置：以电池废热实现吸附剂再生与热管理

转自 能源科学进展

摘要

吸附式大气集水（AWH）技术面临吸附材料再生能耗较高的瓶颈；与此同时，锂离子电池热管理系统持续向外散逸大量未被利用的低品位废热。本研究构建一套热共生耦合体系，实现电池热管理与MOF基大气集水单元的协同集成。电池放电过程释放的废热驱动MOF-303吸附层发生脱附再生；而吸附过程同步充当热汇，被动调控电池工作温度。吸附剂再生焓值与电池产热特性相互匹配，在−12 ~ −20 A放电工况下即可触发水汽脱附。实验表明，运行46 min后MOF温度突破50℃，密闭腔体内脱附产生的水蒸气可完成冷凝收集；吸附过程持续带走电池热量，使电池峰值温度下降约10℃。

该集成系统日产水速率可达1.39 g g⁻¹ day⁻¹，相比太阳能驱动的大气集水装置提升117%。有限元仿真进一步厘清系统内部传热演化规律，并明确影响热利用效率的关键参数。本研究搭建起一套闭环热循环体系，将储能系统废热转化为大气集水的驱动能源，摆脱吸附剂再生对太阳能热源的依赖。该方案依托系统内热回收机制，为能源与环境领域各类装备提升综合热效率提供新思路。

本文亮点：

建电池热管理与MOF大气集水一体化热共生系统，实现低品位废热资源化利用。

结合实验测试与有限元模拟，阐明热共生体系内热量传递与吸附脱附耦合机制。

设计异步轮换供热策略，实现无太阳能条件下连续吸附再生，产水性能显著优于传统太阳能集水装置。

研究背景

水资源短缺推动分布式大气集水技术快速发展，吸附式大气水收集可在低湿度环境下捕获空气中的水汽，但吸附剂脱附再生能耗较高，常规方案依赖太阳能供热，受光照条件约束难以全天候连续运行。锂离子电池运行时因内阻与电化学反应产生大量低品位废热，为避免热失控风险，电池热管理系统需及时导出热量。现有冷却方式大多将废热直接散逸至环境，属于单向散热模式，未能实现余热回收。两类系统的热需求恰好形成互补：电池富余废热可作为吸附剂脱附所需热源。据此，本研究提出热共生耦合架构，耦合电池热管理与MOF基大气水收集单元，构建内部闭环热循环，实现废热驱动吸附再生与电池温控双向协同。

图文导读

图1 热共生BTM-AWH系统的概念与构型。a) MOF基大气水收集与电池运行的互补热角色概念图；b) BTM-AWH系统的组件、装配与工作原理。

如图1a所示，MOF基大气水收集通常包含吸附与脱附两步循环：低温下MOF吸附水汽达到水合态，升温至40 ℃以上后脱附回到脱水态。这一吸热过程恰好与锂离子电池放电产热的放热过程形成互补——AWH需要外部热源驱动脱附，而电池恰好持续产生需要排出的低品位热量。图1b展示了系统的具体构型。吸附单元由2.5 × 6.5 × 7.5 cm铜容器构成，内置 MOF-303吸附层，铜容器的高导热性促进两组件间的传热、降低界面热阻。电池包由4个3.5 Ah锂电芯镍片并联组装成14 Ah模块，外加塑料支撑实现形状稳定与部分隔热。为确保紧密接触，采用导热率约5 W m⁻¹ K⁻¹的硅酮导热硅脂填充吸附单元与电池包之间的空气间隙，以传导方式实现高效热传递。红外图像对比表明，集成MOF吸附单元后电池包温度明显降低，证实了废热被转移至AWH过程的热共生效应。

图2 BTM-AWH系统的热管理性能。a) 无吸附单元时电池包在不同放电电流下的温度曲线；b) 集成/未集成吸附单元时电池包的安全比（sr）；c) 集成吸附单元后电池包在不同放电电流下的温度曲线；d) 与电池包耦合的MOF层在不同放电电流下的温度曲线。

为量化热共生系统的温控性能，研究团队在不同放电电流（−12 ~ −20 A）下监测电池包温度响应。如图2a所示，未集成吸附单元时，放电电流从−12 A增至−20 A，电池包峰值温度由56.6 ℃攀升至78.5 ℃，安全比（sr，即55 ℃以下安全运行时间占比）从93.2%骤降至36.5%。集成MOF吸附单元后（图2c），各放电电流下电池包峰值温度均下降约10 ℃，落在45.7 ~ 64.8 ℃区间，安全比随之恢复至100%（−12 ~ −16 A）、86.4%（−18 A）和65.0%（−20 A）。这意味着在高倍率放电下系统仍能维持安全温度窗口。图2d显示MOF层温度在−12 ~ −20 A范围内达42.6 ~ 58.5 ℃，略低于电池包，表明电池与MOF之间存在有效的传热通道，废热成功驱动了吸附剂再生。

图3 电池废热驱动吸附剂再生。a) MOF-303脱附活化能拟合结果；b) 电池驱动与太阳能驱动脱附过程对比；c) 密闭腔体产水示意图；d) 冷凝水滴形成过程；e) 同步一对一供热模式时间线；f) 不同散热材料对电池峰值温度的影响对比。

为进一步验证脱附机理，研究采用Kissinger方程拟合MOF-303的脱附活化能（图3a），计算结果约为40 kJ mol⁻¹，与文献报道值吻合，说明MOF-303具备吸收电池包低品位热量的能力。图3b对比了电池驱动与太阳能驱动（1.0 kW m⁻²光照）两种脱附方式。前20 min内太阳能组MOF温度升至39 ℃略高于电池组；但20 min后电池组MOF温度反超，展现出更优的持续脱附潜力。在密闭腔体实验中（图3c-d），放电产热使MOF脱附释放水汽，铜容器升温提高腔内空气温度，温度梯度驱动水汽在内层保鲜膜表面冷凝，直观证实了电池包驱动产水的可行性。研究还对比了不同散热方案（图3f）：仅用铜盒时电池峰值60.6 ℃；加装10 g MOF后降至54.0 ℃；采用相变温度38.25 ℃、焓值179.60 kJ kg⁻¹的膨胀石墨基共晶CPCM时进一步降至51.1 ℃，表明吸热材料的直接热接触交换可显著增强散热效果。

图4 BTM-AWH系统中的热共生热共享。a, b) Model 1（纯电池包）与Model 2（耦合MOF层）的温度分布；c) Model 2两条传热通道示意图；d-f) 插入0.5 mm空气层后重构模型的模拟结果；g-l) 不同参数的敏感性分析；m) MOF接触式电池构型概念图。

为厘清热共生机制，研究构建了有限元热仿真模型。Model 1为纯电池包，Model 2为耦合MOF层的热共生系统。实验与模拟温度的偏差值（Dv）仅−0.57 ~ 1.00 K、偏差率（Dr）−0.17% ~ 0.33%，验证了模型的可靠性（图4a-b）。模拟揭示了两条传热通道（图4c）：通道1为经对流散失至环境的热量，通道2为传递至MOF层用于脱附再生的热量。通过在界面插入0.5 mm空气层重构Model 2（图4d-f），MOF与电池间温差增大，因空气低热导形成的热阻使BTM与脱附效果同时减弱，证实了紧密接触对热共生的关键作用。参数敏感性分析（图4g-l）表明：降低铜容器导热系数（0.001 κkcon）时电池与MOF峰值温度分别升至58.2 ℃和53.4 ℃；增强对流（4h0）虽改善BTM（电池降至44.6 ℃）但严重削弱脱附；增大MOF等效比热容（4CE）使电池峰值降至48.7 ℃。综上，电池与MOF须紧密贴合并保证良好导热；对流强度需适中；MOF用量并非越多越好，需在温控与单位质量产水之间取得平衡。

图5 密闭BTM-AWH系统的产水实验。a) 密闭BTM-AWH水生成器实物照片；b) 密闭产水装置示意图（含BTM-AWH单元、亚克力罩、半导体制冷器与底部隔热层）；c) 有无半导体制冷条件下电池包温度曲线；d-f) 冷凝水滴形成过程；g) 电池驱动与太阳能驱动AWH系统累积产水量对比；h) 太阳能-电池混合驱动方案实物图。

为评估实际产水能力，研究构建了密闭腔体水生成器（图5a-b）。主体为透明亚克力板，内部放置BTM-AWH单元，顶部安装半导体制冷器促进冷凝。如图5c所示，尽管亚克力外壳阻碍自然对流，在半导体制冷器主动冷却下电池包峰值温度仍降至54.5 ℃（无制冷器时为56.5 ℃），低于开放系统的对应值（图2c）。运行过程如图5d-f所示：电池包与制冷器同时启动后暂时移开制冷器，可见发生器顶部形成冷却区域，初始呈雾状薄雾，随温度梯度增大逐渐聚集成可见水滴，60 min后出现明显冷凝。定量测试表明（图5g）：每个循环含60 min脱附与30 min吸附（90 min/循环），24 h内16个循环共产水6.95 g，对应日产水速率1.39 g g⁻¹ day⁻¹。作为对照，2025年10月17日在广州户外开展的太阳能驱动AWH实验（06:00–18:00，12 h）完成8个循环仅收集3.2 g水，日产率0.64 g g⁻¹ day⁻¹。BTM-AWH系统的日产水量较太阳能驱动系统高出117%。最后，作者提出混合驱动方案（图5h）：白天12 h太阳能驱动 + 夜间12 h电池驱动，合计日产水1.34 g g⁻¹ day⁻¹（白天0.64 + 夜间0.70），较传统纯白天太阳能方案提高109%。这一结果证明，热共生策略通过实现24 h连续运行可显著增强传统太阳能水收集性能。

结论与展望

本研究提出了一种热共生系统架构，将电池放电过程中产生的废热用于驱动MOF基大气水收集，同时吸附单元作为热汇被动稳定电池温度，实现储能废热资源化与淡水协同产出。主要结论如下：

通过实验验证了电池废热驱动MOF-303脱附再生的可行性。在−16 A放电下，MOF层46 min内升至50 ℃以上并释放水汽，吸附单元使电池峰值温度降低约10 ℃，安全比在高倍率工况下显著回升。

有限元模拟揭示了热共生体系的双通道传热机制（对流散热通道与脱附换热通道），明确了界面导热、对流强度、等效比热容与MOF用量等关键参数对系统热效率的影响规律，为器件优化提供了理论依据。

采用三电池模块异步交替供热策略，系统无需太阳能即可实现每天约15次再生循环，日产水速率达1.39 g g⁻¹ day⁻¹，较太阳能驱动系统提升117%；昼夜混合方案可进一步提升至1.34 g g⁻¹ day⁻¹，提高109%。

MOF-303经50次吸附循环后动力学性能几乎不变，晶体框架与孔结构保持稳定，证明了该热共生系统的长期运行潜力。

作者信息

通讯作者

Sai Kishore Ravi  教授

香港城市大学

通讯作者

Swee Ching Tan  教授

新加坡国立大学

通讯作者

Anthony Chun Yin Yuen  教授

香港理工大学

引用格式

Weicheng Chen, Mingyun Luo, Yuxuan Tan, Lintao Yan, TingTing Liao, Weiqi Liu, Fengwen Liu, Zhixuan Chen, Jinze Yao, Xianghui Liang, Yutang Fang, Shuangfeng Wang, Yujie Ke, Ady Suwardi, Anthony Chun Yin Yuen*, Swee Ching Tan*, Sai Kishore Ravi*. Symbiotic Heat Sharing in MOF-Based Atmospheric Water Generators for Battery Thermal Management and Sorbent Regeneration, 2026, Nature Communications.

https://doi.org/10.1038/s41467-026-76774-z