Ny forskning från Berkeley-ingenjörer kan snart göra det mer praktiskt att använda batteridrivna fordon och enheter i extrema temperaturer, som i iskalla vintrar i Minnesota eller kvävande heta somrar i Death Valley. Dessa förhållanden representerar temperaturområden som faller utanför det smala fönstret-vanligtvis 20 till 40 grader Celsius-som behövs för ett litiumjonbatteris optimala och säkra prestanda.

"Det optimala temperaturintervallet för litiumjonbatterier kanske inte är ett allvarligt problem i det milda klimatet i San Francisco Bay Area, men mitt i vintern i New York eller Lake Tahoe, det är inte ovanligt att smartphones stängs av automatiskt eftersom det är för kallt, "sa Chris Dames, en professor i maskinteknik vid UC Berkeley och chef för forskargruppen som utvecklat en ny termisk regulator - beskrivs i en studie i tidskriften Naturenergi - det kan lösa detta problem.

Forskarna förklarade att ett batteris användbara energi sjunker dramatiskt vid kalla temperaturer. Vid minus 20 grader Celsius, en typisk kommersiell litiumjonbattericell kan endast leverera 20 procent av sin rumstemperaturkapacitet.

Höga temperaturer kan också skapa problem för batterier, som genererar sin egen spillvärme vid användning. Batteriets livslängd halveras vanligtvis för varje 13 grader Celsius av överskottstemperatur.

"Vad som är värre är att överhettning kan leda till termisk springande, 'ett felläge som kan leda till batteribränder i elbilar samt vissa mobiltelefoner och elektronik som vi har hört talas om i nyheterna, "sade huvudförfattaren Menglong Hao, en postdoktor i Dames lab.

Att hantera motstridiga temperaturbehov har varit en utmaning för termiska förpackningar. Nuvarande metoder som håller batterierna vid sina önskade temperaturer förbrukar energi och är för dyra eller skrymmande för att inkluderas i många bärbara applikationer. I kontrast, den nya termiska regulatorn som utvecklats av UC Berkeley ingenjörer håller batterierna vid stabila temperaturer genom ett passivt system som inte förbrukar extra energi.

"Aktiv uppvärmning och kyla kostar energi, energi som du inte vill lägga på att hålla batteriet bekvämt när du kunde ha använt det för att köra ytterligare 50 miles, "sa Dames.

Det passiva systemet använder en formminneslegering, en materialklass som är karakteristiskt mjuk och smidig vid låga temperaturer, men hårdnar tillbaka till sin ursprungliga form vid högre temperaturer. Sådana material är kommersiellt tillgängliga och används rutinmässigt i medicinska implantat.

Den exakta temperaturen för övergången från mjuk till hård beror på blandningen av metaller. I detta fall, forskarna valde nickel- och titanlegeringstrådar som övergick vid 35 grader Celsius. Under den tröskeln, trådarna mjuknade, men över 35 grader Celsius, trådarna stelnade och drog ihop sig.

Forskarna fäst ledningarna till ett litiumjonbatteri så att "på" -läget var vid högre temperaturer, med de förstyvade trådarna som drar batterierna tätt i kontakt med en kylfläns som är avsedd att kyla ner batterierna. Vid temperaturer under 35 grader Celsius, de mjukade trådarna var i "av" -läge, så att batteripaketet kan lyfta bort från kylflänsen med hjälp av komprimerade fjädrar. Det resulterande luftgapet gav isolering som hjälpte till att hålla batterierna varma genom att sakta ner sin egen spillvärme.

Forskarna testade den termiska regulatorn i både vakuum och verkliga förhållanden för att bekräfta att deras system lätt kunde röra sig mellan varma och kalla tillstånd.

Vid en kall omgivningstemperatur på minus 20 grader Celsius, de visade att deras termiska regulator kan öka batteriets temperatur till 20 grader Celsius bara genom att behålla batteriets egengenererade värme. På samma gång, vid en varm omgivningstemperatur på 45 grader Celsius, den termiska regulatorn hindrade batterierna från överhettning genom att begränsa temperaturstegringen till cirka 6 grader genom konstant värmeavledning.

"Allt detta gjordes passivt, utan sensorer, logisk eller elektrisk strömförbrukning, "sa Hao." En annan fördel är att formminneslegeringstrådarna är billiga, kör bara 1 procent av den totala kostnaden för batteriet, så detta är ett kostnadseffektivt system. "

I en kommentar publicerad i Naturenergi , Carnegie Mellon University -professorerna Jonathan Malen och Venkat Viswanathan sa att termokontakten som utvecklats vid UC Berkeley kan förbättra andra teknologier än batterier som är känsliga för fluktuerande temperaturer. Dessa inkluderar bränsleceller, sensorer och lasrar.

UC Berkeley -forskarna sa att deras termiska regulatorsystem kan ha stora konsekvenser för ett bredare införande av förnybar teknik. Litiumjonbatterier driver en mängd konsumentprodukter från elbilar och drönare till bärbara datorer och smartphones. Batterierna spelar också en nyckelroll för att stabilisera elnätet mot fluktuerande sol- och vindproduktion genom att driva förnybara energilagringsenheter.

Studieförfattarna noterade att av de 51 amerikanska storstadsområdena med befolkning över 1 miljon, 20 upplever vanligtvis temperaturer som faller under noll grader Fahrenheit, och 11 områden har sommartemperaturer som regelbundet stiger över 100 grader Fahrenheit.

"Genom att uppfinna en ny typ av termisk regulator, vi kom på en enda design som kan fungera för både Lake Tahoe i januari och Death Valley i augusti, "sa Dames.