Net als Goudlokje en haar spreekwoordelijke pap, lithium-ionbatterijen (LIB's) presteren het best als het temperatuurbereik precies goed is, dat wil zeggen:niet te warm en niet te koud. Maar dit is een enorme beperkende factor als het gaat om het gebruik van LIB's in elektrische voertuigen (EV's) op veel plaatsen waar de temperatuur sterk varieert. LIB's presteren slecht in extreme hitte of kou, en dit is een wegversperring die een overgang naar een breder gebruik van EV's in de weg staat. Zoals de auteurs van de volgende studie opmerken, "van de 51 grootstedelijke gebieden in de Verenigde Staten, 20 gebieden ervaren normaal gesproken extreme koude dagen onder -18°C (0°F), terwijl de zomertemperaturen in 11 gebieden (inclusief overlappingen met de voormalige 20) routinematig hoger zijn dan 38°C (100°F)." grote stedelijke gebieden wereldwijd, en vormen eveneens een belemmering voor de opname van elektrische voertuigen als een potentiële transportoplossing voor hernieuwbare energie.

In een recent artikel gepubliceerd in Natuur Energie echter, een groep UC Berkeley-onderzoekers rapporteert een nieuwe uitvinding die belooft de effecten van thermische extremen effectief te verminderen bij gebruik met LIB's. hun papier, getiteld "Efficiënt thermisch beheer van Li-ion-batterijen met een passieve thermische grensvlakregelaar op basis van een vormgeheugenlegering, beschrijft het hedendaagse operationele landschap van LIB's met betrekking tot variaties in de omgevingstemperatuur op verschillende locaties, maar ook met betrekking tot andere verstorende factoren, zoals nieuwere snelladende en ontladende batterijen, die de strategieën voor warmtebeheer verder compliceren. Ze merken op dat traditionele lineaire thermische componenten doorgaans niet in staat zijn om beide uitersten van warm en koud aan te kunnen, en andere mogelijke oplossingen, zoals gecontroleerde vloeistoflussen, geen hoog genoeg AAN/UIT-contrast bieden, om nog maar te zwijgen van kosten- en gewichtsoverwegingen bij gebruik met EV's. Hun oplossing is "een vloeistofvrije, passieve thermische regelaar die de batterijtemperatuur stabiliseert in zowel warme als koude extreme omgevingen. Zonder enige voeding of logica, de thermische regelaar schakelt zijn thermische geleidbaarheid volgens de lokale batterijtemperatuur en levert de gewenste thermische functionaliteit, warmte vasthouden als het koud is en koeling vergemakkelijken als het warm is."

Om dit effect te bereiken, hun passieve thermische regelaarontwerp is gebaseerd op twee belangrijke niet-lineaire kenmerken van bestaande thermische regelaarconcepten. De eerste van deze kenmerken, vaste toestand faseverandering, vertoont een goede abruptheid in reactie op temperatuurverandering, maar slaagt er niet in een voldoende hoge schakelverhouding (SR) te bereiken, dat wil zeggen de AAN/UIT-status thermische geleidbaarheidsverhouding - wat de belangrijkste prestatiemaatstaf is voor thermische regelaars. Het tweede kenmerk, het openen en sluiten van een thermische interface, heeft een veel hogere SR, maar is afhankelijk van de differentiële thermische uitzetting tussen twee materialen. Wanneer de interface-opening tussen materialen is gesloten, het vertoont een sterke niet-lineaire thermische geleidbaarheid. Echter, omdat het thermische uitzettingseffect hier relatief zwak is, dit ontwerp vereist een te groot warmteregulerend lichaam om het openen en sluiten van de opening te bewerkstelligen.

Hoe ingewikkeld de voorgaande voorbeelden ook mogen klinken, hun oplossing - die aspecten van zowel faseverandering in vaste toestand als grensvlakwarmtecontactgeleiding belichaamt - is opmerkelijk eenvoudig. Om hun ontwerpdoelen te bereiken, de auteurs van het onderzoek vertrouwen op een vormgeheugenlegering (SMA) gemaakt van Nitinol, een flexibele draad van een nikkel/titaniumlegering die rond de omtrek van een bovenste thermische regelplaat wordt geleid, waarop de LIB's zitten. De uiteinden van de SMA-draad, één die overeenkomt met elke hoek van de thermische regelaar, verbinden met een onderste koelplaat, bekend als een thermisch interfacemateriaal (TIM). De boven- en onderplaten worden tegen elkaar gehouden door een set van vier voorspanningsveren, die een luchtspleet van 0,5 mm tussen de boven- en onderplaten creëren en ook de SMA-draad in een staat van spanning houden. Dit definieert de thermisch isolerende UIT-status.

Naarmate de batterij warmer wordt, de SMA, als gevolg van een fasetransformatie, begint samen te trekken en trekt de twee platen naar elkaar toe. De thermische geleidbaarheid is erg laag totdat de twee platen elkaar raken, op welk punt de kracht van de samentrekkende draad groter is dan de tegenkracht van de voorspanningsveer, en de TIM-plaat (onder) maakt contact met de plaat van de thermische regelaar die de batterijen vasthoudt (boven), en begint warmte af te voeren; deze situatie definieert de AAN-status. Het hier beschreven prototypische model omvat de essentie van de passieve thermische regelaar aan de grensvlakken.

Om de fundamenten van dit concept met betrekking tot de SMA-draad en de voorspanningsveren te valideren, de auteurs van het onderzoek bouwden een model en testten het in een vacuümkamer, met behulp van twee thermogekoppelde roestvrijstalen staven als warmtebron en koellichaam - deze komen overeen met de boven- en onderplaten hier, respectievelijk. In het experiment, thermische isolatie in de UIT-stand bleek uitstekend te zijn, zoals bevestigd door de zeer grote temperatuurdiscontinuïteit bij het grensvlak en de kleine temperatuurgradiënten gemeten in elk van de roestvrijstalen staven. Echter, wanneer de bovenste balktemperatuur de SMA-overgangstemperatuur overschreed, de opening sloot en de TIM (de onderste balk) begon aanzienlijk op te warmen. De auteurs merken op dat het omschakelingsproces hier snel verliep, binnen ongeveer 10 seconden, en dat een record SR werd behaald op 2, 070:1. Ze wijzen erop dat de Nitinol SMA-draden eerst moesten worden voorgeconditioneerd onder hogere spanningsbelastingen voordat erop kon worden vertrouwd dat ze een stabiele, herhaalbare respons door vele cycli.

Met de proof-of-concept vastgesteld, de onderzoekers gingen verder met het demonstreren van het concept in de praktijk met twee Panasonic 18650PF LIB's ingeklemd tussen aluminiumplaten, getest in een milieukamer. Het ontwerp hier gebruikte een soortgelijk ontwerp van de thermische regelaar, aangepast aan de afmetingen van de batterijen in hun houder, waarvoor langere SMA-draadlengtes en een opening van ongeveer 1 mm tussen de boven- en onderplaten nodig waren. Ook, om te voldoen aan een hoog prestatieniveau, het was cruciaal om de parallelle thermische paden van de draden en de veren en de LIB's zelf te isoleren met een aerogeldeken. Om prestaties te vergelijken, de onderzoekers leverden ook twee standaard lineaire modellen, "altijd UIT" en "altijd AAN, " waarbij de SMA werd vervangen door roestvrijstalen draden die waren geconfigureerd voor een constante opening of constant contact tussen de twee platen, respectievelijk.

Onder experimentele omstandigheden variërend van –20° C ( –4° F; erg koud) tot 45° C (114° F; erg heet), de thermische regelaar presteerde goed, snel opwarmen van -20 ° C (-4 ° F) tot ongeveer 20 ° C (68 ° F) door de warmte van de batterij die wordt vastgehouden door de luchtspleet en de bruikbare factor van de batterij met een factor drie verhoogt. Aan het andere uiterste, de thermische regelaar presteerde ook bewonderenswaardig, overgang naar de AAN-status bij ongeveer 45 ° C (113 ° F), waarna de temperatuurstijging in de LIB's werd beperkt tot 5 ° C (9 ° F). Na het testen van deze opstelling van de thermische regelaar door 1, 000 AAN/UIT-cycli, de onderzoekers ontdekten dat de prestaties van de UIT-status slechts licht achteruitgingen (een vermindering van de batterijcapaciteit van 8,5% bij -20 ° C [-4 ° F]), terwijl de prestaties van de AAN-status onveranderd bleven.

Zoals de auteurs van de studie opmerken, de kosten van hun thermische regelaar zijn minimaal bij gebruik met de standaard "altijd AAN" thermische beheerbenadering, die al een TIM-koellichaam zou bevatten. De extra massa van de SMA en bias springs is minder dan een gram, en de kosten van de Nitinol-draad zijn ongeveer $ 6. "Demonstratie met een batterijmodule bestaande uit commerciële 18650 lithium-ioncellen toont aan dat deze thermische regelaar de capaciteit bij koud weer meer dan drievoudig verhoogt, simpelweg door de zelf opgewekte warmte van de batterij vast te houden... omgevingen, zelfs bij een hoge 2C-ontladingssnelheid, ’ concluderen de onderzoekers.

© 2018 Tech Xplore