Precis som Goldilocks och hennes ordspråkliga gröt, litiumjonbatterier (LIB) fungerar bäst när temperaturintervallet är precis lagom – det vill säga, varken för varmt eller för kallt. Men detta är en enorm begränsande faktor när det gäller att använda LIB i elfordon (EV) på många platser där temperaturen varierar kraftigt. LIBs presterar dåligt i extrem värme eller kyla, och detta är en vägspärr som förhindrar en övergång till en bredare användning av elbilar. Som författarna till den följande studien noterar, "av de 51 storstadsområdena i USA, 20 områden upplever normalt extrema kalla dagar under –18° C (0° F ) medan sommartemperaturerna i 11 områden (inklusive överlappningar med de tidigare 20) rutinmässigt överstiger 38° C (100° F)." Liknande temperaturvariationer finns verkligen överallt. stora stadsområden över hela världen, och utgör likaledes ett hinder för införandet av elbilar som en potentiell transportlösning för förnybar energi.

I en ny tidning publicerad i Naturenergi dock, en grupp forskare från UC Berkeley rapporterar en ny uppfinning som lovar att effektivt mildra effekterna av termiska extremer när de används med LIB. Deras papper, med titeln "Effektiv termisk hantering av litiumjonbatterier med en passiv termisk regulator för gränssnitt baserad på en formminneslegering, " beskriver LIBs samtida operativa landskap i relation till omgivningstemperaturvariationer på olika platser, men också med hänsyn till andra störande faktorer, som nyare snabbladdnings- och urladdningsbatterier, vilket ytterligare komplicerar värmehanteringsstrategier. De noterar att traditionella linjära termiska komponenter vanligtvis misslyckas med att hantera både extrema värme och kyla, och andra potentiella lösningar, såsom kontrollerade vätskeslingor, ger inte en tillräckligt hög PÅ/AV-kontrast, för att inte tala om kostnads- och viktöverväganden när de används med elbilar. Deras lösning är "en vätskefri, passiv termisk regulator som stabiliserar batteritemperaturen i både varma och kalla extrema miljöer. Utan någon strömförsörjning eller logik, den termiska regulatorn växlar sin värmeledningsförmåga enligt den lokala batteritemperaturen och levererar den önskvärda termiska funktionaliteten, behålla värmen när det är kallt och underlätta kylningen när det är varmt."

För att uppnå denna effekt, deras passiva termiska regulator design bygger på två viktiga olinjära funktioner från befintliga termiska regulator koncept. Den första av dessa funktioner, fasförändring i fast tillstånd, uppvisar bra abrupthet som svar på temperaturförändringar, men misslyckas med att uppnå ett tillräckligt högt växlingsförhållande (SR) - det vill säga, förhållandet TILL/FRÅN -tillståndets värmeledningsförmåga - vilket är det primära prestandamåttet för termiska regulatorer. Den andra funktionen, öppning och stängning av ett termiskt gränssnitt, har en mycket högre SR men förlitar sig på den differentiella termiska expansionen mellan två material. När gränssnittsgapet mellan material är stängt, den uppvisar stark olinjär värmeledningsförmåga. Dock, eftersom den termiska expansionseffekten är relativt svag här, denna konstruktion kräver en alltför stor termisk regulatorkropp för att åstadkomma öppning och stängning av gapet.

Så komplicerat som föregående exempel kan låta, deras lösning – som förkroppsligar aspekter av både fasta fasförändringar och gränssnitts termisk kontaktledning – är anmärkningsvärt enkel. För att uppnå sina designmål, studieförfattarna förlitar sig på en formminneslegering (SMA) gjord av Nitinol, en flexibel tråd av nickel/titaniumlegering som dras runt periferin av en övre termisk regulatorplatta, på vilken sitter LIB:erna. Ändarna på SMA-tråden, en som motsvarar varje hörn av den termiska regulatorn, anslut med en botten värmesänkande platta, känt som ett termiskt gränssnittsmaterial (TIM). De övre och nedre plattorna hålls i motsatta riktningar av en uppsättning av fyra förspänningsfjädrar, som skapar en 0,5 mm luftspalt mellan topp- och bottenplattan och håller SMA-tråden i ett tillstånd av spänning. Detta definierar det termiskt isolerande AV-tillståndet.

När batteriet värms upp, SMA, på grund av en fasomvandling, börjar dra ihop sig och dra de två plattorna närmare. Värmeledningsförmågan är mycket låg tills de två plattorna berörs, vid vilken punkt kraften hos den sammandragande tråden är större än den motsatta kraften från förspänningsfjädern, och TIM -plattan (nedtill) kommer i kontakt med den termiska regulatorplattan som håller batterierna (upptill), och börjar avleda värme; denna situation definierar PÅ-tillståndet. Den prototypiska modellen som beskrivs här inkapslar essensen av den passiva termiska gränssnittsregulatorn.

För att validera grunderna för detta koncept med avseende på SMA-tråden och förspänningsfjädrarna, studieförfattarna byggde en modell och testade den i en vakuumkammare, använder två termokopplade stänger av rostfritt stål som värmekälla och en kylfläns – dessa motsvarar de övre och nedre plattorna här, respektive. I experimentet, termisk isolering i OFF-tillståndet visade sig vara utmärkt, vilket bekräftas av den mycket stora temperaturdiskontinuiteten vid gränsytan och de små temperaturgradienterna uppmätta i var och en av de rostfria stålstängerna. Dock, när den övre stapeltemperaturen översteg SMA -övergångstemperaturen, gapet stängdes och TIM (den nedre stången) började värmas upp avsevärt. Författarna noterar att bytesprocessen här skedde snabbt, inom cirka 10 sekunder, och att ett rekord SR uppnåddes vid 2, 070:1. De påpekar att Nitinol SMA-trådarna först måste förkonditioneras under högre spänningsbelastningar innan de kunde litas på att producera en stabil, repeterbar respons genom många cykler.

Med proof-of-concept etablerat, forskarna fortsatte med att demonstrera konceptet i praktiken med två Panasonic 18650PF LIBs inklämda mellan aluminiumplattor, testas i en miljökammare. Designen här använde en liknande termisk regulatordesign modifierad för att passa måtten på batterierna i deras hållare, vilket krävde längre SMA-trådslängder och ett gap på cirka 1 mm mellan topp- och bottenplåtar. Också, för att möta en hög prestanda, det var avgörande att isolera trådarnas och fjädrarnas och fjädrarnas och LIB:s parallella termiska vägar med en aerogel -filt. För att jämföra prestanda, forskarna tillhandahöll också två linjära standardmodeller, "alltid AV" och "alltid PÅ, "som innebar att ersätta SMA med rostfria trådar konfigurerade för ett konstant gap eller konstant kontakt mellan de två plattorna, respektive.

Under experimentella förhållanden som sträcker sig från –20°C (–4°F; mycket kallt) till 45°C (114°F; mycket varmt), den termiska regulatorn fungerade bra, värmer snabbt från –20 ° C (–4 ° F) till cirka 20 ° C (68 ° F) på grund av värme från batteriet som kvarhålls av luftgapet och ökar batteriets livslängd med en faktor tre. I motsatt ytterlighet, den termiska regulatorn presterade också utmärkt, övergång till ON-tillståndet vid cirka 45°C (113°F) varefter temperaturökningen i LIBs begränsades till 5°C (9°F). Efter att ha testat denna termiska regulatoruppställning till 1, 000 PÅ/AV-cykler, utredarna fann att OFF-statusens prestanda bara var något försämrad (en 8,5 % batterikapacitetsminskning vid –20 ° C [–4 ° F]) medan ON-statusens prestanda förblev oförändrad.

Som studieförfattarna noterar, kostnaderna för deras termiska regulator är minimala när de används med standardmetoden "alltid PÅ" termisk hantering, som redan skulle innehålla en TIM kylfläns. Den extra massan av SMA och förspänningsfjädrar är mindre än ett gram, och kostnaden för Nitinol-tråden är cirka $6. "Demonstration med en batterimodul bestående av kommersiella 18650 litiumjonceller visar att denna termiska regulator ökar kapaciteten för kallt väder med mer än tre gånger helt enkelt genom att behålla batteriets självgenererade värme...samtidigt som modulen inte överhettas i varma temperaturer. miljöer även vid hög 2C urladdningshastighet, " avslutar forskarna.

© 2018 Tech Xplore