Nieuw onderzoek door ingenieurs van Berkeley kan het binnenkort praktischer maken om batterijaangedreven voertuigen en apparaten bij extreme temperaturen te gebruiken. zoals in ijskoude winters in Minnesota of verstikkend hete zomers in Death Valley. Die omstandigheden vertegenwoordigen temperatuurbereiken die buiten het smalle venster vallen - meestal 20 tot 40 graden Celsius - dat nodig is voor de optimale en veilige prestaties van een lithium-ionbatterij.

"Het optimale temperatuurbereik voor lithium-ionbatterijen is misschien geen serieus probleem in het milde klimaat van de San Francisco Bay Area, maar midden in de winter in New York of Lake Tahoe, het is niet ongebruikelijk dat smartphones automatisch uitschakelen omdat het te koud is, " zei Chris Dames, een UC Berkeley-hoogleraar werktuigbouwkunde en hoofd van het onderzoeksteam dat een nieuwe thermische regelaar ontwikkelde - beschreven in een onderzoek in het tijdschrift Natuur Energie - dat zou dit probleem kunnen oplossen.

De onderzoekers legden uit dat de bruikbare energie van een batterij dramatisch daalt bij koude temperaturen. Bij min 20 graden Celsius, een typische commerciële lithium-ionbatterijcel kan slechts 20 procent van zijn capaciteit bij kamertemperatuur leveren.

Hoge temperaturen kunnen ook problemen opleveren voor batterijen, die bij gebruik hun eigen restwarmte genereren. De levensduur van een batterij wordt doorgaans gehalveerd voor elke 13 graden Celsius te hoge temperatuur.

"Wat erger is, is dat oververhitting kan leiden tot 'thermische wegloop, ' een storingsmodus die kan leiden tot batterijbranden in elektrische auto's, evenals bepaalde mobiele telefoons en elektronica waarover we in het nieuws hebben gehoord, " zei hoofdauteur Menglong Hao, een postdoctoraal onderzoeker in het lab van Dames.

Het beheren van tegenstrijdige temperatuurbehoeften was een uitdaging voor thermische verpakkingen. De huidige methoden die batterijen op hun gewenste temperatuur houden, verbruiken energie en zijn te duur of omvangrijk om in veel draagbare toepassingen op te nemen. In tegenstelling tot, de nieuwe thermische regelaar ontwikkeld door de ingenieurs van UC Berkeley houdt batterijen op stabiele temperaturen door middel van een passief systeem dat geen extra energie verbruikt.

"Actieve verwarming en koeling kosten energie, energie die u niet wilt besteden aan het comfortabel houden van de accu, terwijl u hem had kunnen gebruiken om nog eens 80 kilometer te rijden, ' zei Dames.

Het passieve systeem maakt gebruik van een vormgeheugenlegering, een materiaalklasse die karakteristiek zacht en buigzaam is bij lage temperaturen, maar verhardt terug naar zijn oorspronkelijke vorm bij hogere temperaturen. Dergelijke materialen zijn in de handel verkrijgbaar en worden routinematig gebruikt in medische implantaten.

De exacte temperatuur van de overgang van zacht naar hard hangt af van de mix van de metalen. In dit geval, de onderzoekers kozen voor draden van nikkel- en titaniumlegeringen die bij 35 graden Celsius overgingen. Onder die drempel, de draden werden zachter, maar boven de 35 graden Celsius, de draden verstijfden en trokken samen.

De onderzoekers bevestigden de draden aan een lithium-ionbatterijpak zodat de "aan" -positie bij de hogere temperaturen was, waarbij de verstevigde draden de batterijen stevig in contact trekken met een koellichaam dat is ontworpen om de batterijen af ​​te koelen. Bij temperaturen onder de 35 graden Celsius, de verzachte draden stonden in de "uit"-stand, waardoor het batterijpakket met behulp van samengedrukte veren van het koellichaam kan worden opgetild. De resulterende luchtspleet zorgde voor isolatie die hielp de batterijen warm te houden door de afvoer van hun eigen afvalwarmte te vertragen.

De onderzoekers testten de thermische regelaar in zowel vacuüm als reële omstandigheden om te bevestigen dat hun systeem gemakkelijk tussen warme en koude toestanden kon bewegen.

Bij een koude omgevingstemperatuur van min 20 graden Celsius, ze toonden aan dat hun thermische regelaar de temperatuur van de batterij tot 20 graden Celsius kon verhogen door de zelf opgewekte warmte van de batterij vast te houden. Tegelijkertijd, bij een warme omgevingstemperatuur van 45 graden Celsius, de thermische regelaar hield de batterijen tegen oververhitting door de temperatuurstijging te beperken tot ongeveer 6 graden door constante warmteafvoer.

"Dit alles gebeurde passief, zonder sensoren, logisch of elektrisch stroomverbruik, " zei Hao. "Een ander voordeel is dat de draden van vormgeheugenlegering goedkoop zijn, met slechts 1 procent van de totale kosten van de batterij, dus dit is een kosteneffectief systeem."

In een commentaar gepubliceerd in Natuur Energie , De professoren Jonathan Malen en Venkat Viswanathan van de Carnegie Mellon University zeiden dat de thermische schakelaar die aan UC Berkeley is ontwikkeld, andere technologieën kan verbeteren dan batterijen die gevoelig zijn voor fluctuerende temperaturen. Deze omvatten brandstofcellen, sensoren en lasers.

De onderzoekers van UC Berkeley zeiden dat hun thermische regelsysteem grote gevolgen zou kunnen hebben voor een bredere acceptatie van hernieuwbare technologieën. Lithium-ionbatterijen voeden een groot aantal consumentenproducten, variërend van elektrische auto's en drones tot laptops en smartphones. De batterijen spelen ook een sleutelrol bij het stabiliseren van het elektriciteitsnet tegen fluctuerende opwekking van zonne- en windenergie door opslageenheden voor hernieuwbare energie aan te drijven.

De auteurs van het onderzoek merkten op dat van de 51 grootstedelijke gebieden in de VS met een bevolking van meer dan 1 miljoen, 20 ervaren doorgaans temperaturen die onder nul graden Fahrenheit dalen, en 11 gebieden hebben zomertemperaturen die routinematig boven de 100 graden Fahrenheit stijgen.

"Door een nieuw type thermische regelaar uit te vinden, we kwamen met een enkel ontwerp dat kan werken voor zowel Lake Tahoe in januari als Death Valley in augustus, ' zei Dames.