Tager lithium-ion-batterier til nye yderpunkter

Ligesom Guldlok og hendes ordsprogede grød, lithium-ion-batterier (LIB'er) fungerer bedst, når temperaturområdet er helt rigtigt – dvs. hverken for varmt eller for koldt. Men dette er en enorm begrænsende faktor, når det kommer til at bruge LIB'er i elektriske køretøjer (EV'er) i mange lokaliteter, hvor temperaturerne varierer meget. LIB'er klarer sig dårligt i ekstrem varme eller kulde, og dette er en vejspærring, der forhindrer en overgang til den bredere brug af elbiler. Som forfatterne af den efterfølgende undersøgelse bemærker, "ud af de 51 storbyområder i USA, 20 områder oplever normalt ekstreme kolde dage under -18°C (0°F), mens sommertemperaturerne i 11 områder (inklusive overlapninger med de tidligere 20) rutinemæssigt overstiger 38°C (100°F)." Lignende temperaturvariationer findes helt sikkert overalt. større byområder verden over, og repræsenterer ligeledes en barriere for udbredelsen af ​​elbiler som en potentiel transportløsning for vedvarende energi.

I et nyligt papir offentliggjort i Naturenergi imidlertid, en gruppe UC Berkeley-forskere rapporterer om en ny opfindelse, der lover effektivt at afbøde virkningerne af termiske ekstremer, når de bruges sammen med LIB'er. Deres papir, med titlen "Effektiv termisk styring af Li-ion batterier med en passiv grænseflade termisk regulator baseret på en formhukommelseslegering, "detaljerer det moderne operationelle landskab af LIB'er i forhold til omgivende temperaturvariationer i forskellige lokaliteter, men også med hensyn til andre forstyrrende faktorer, nyere hurtigopladning og afladning af batterier, som yderligere komplicerer varmestyringsstrategier. De bemærker, at traditionelle lineære termiske komponenter typisk ikke klarer både ekstreme varme og kulde, og andre potentielle løsninger, såsom kontrollerede væskesløjfer, ikke giver en høj nok ON/OFF-kontrast, for ikke at nævne omkostninger og vægt, når de bruges med elbiler. Deres løsning er "en væskefri, passiv termisk regulator, der stabiliserer batteritemperaturen i både varme og kolde ekstreme miljøer. Uden strømforsyning eller logik, den termiske regulator skifter sin termiske ledningsevne i henhold til den lokale batteritemperatur og leverer den ønskede termiske funktionalitet, holde på varmen, når det er koldt og lette afkøling, når det er varmt."

For at opnå denne effekt, deres passive termiske regulatordesign trækker på to vigtige ikke-lineære funktioner fra eksisterende termiske regulatorkoncepter. Den første af disse funktioner, faststoffaseændring, udviser god brathed som reaktion på temperaturændringer, men formår ikke at opnå en tilstrækkelig høj switching ratio (SR) – dvs. ON/OFF-tilstandens termiske konduktansforhold - som er den primære ydeevnemetrik for termiske regulatorer. Den anden funktion, åbning og lukning af en termisk grænseflade, har en meget højere SR, men er afhængig af den differentielle termiske udvidelse mellem to materialer. Når grænsefladegabet mellem materialer er lukket, det udviser stærk ikke-lineær termisk ledningsevne. Imidlertid, fordi den termiske ekspansionseffekt er relativt svag her, dette design kræver et unødigt stort termisk regulatorlegeme for at udføre åbning og lukning af mellemrummet.

Hvor komplicerede de foregående eksempler end lyder, deres løsning - som inkorporerer aspekter af både faststoffaseændring og grænseflade termisk kontaktledningsevne - er bemærkelsesværdig enkel. For at nå deres designmål, undersøgelsens forfattere stoler på en formhukommelseslegering (SMA) lavet af Nitinol, en fleksibel nikkel/titanium-legeret tråd, som er ført rundt i periferien af ​​en top termisk regulatorplade, hvorpå sidder LIB'erne. Enderne af SMA-ledningen, en svarende til hvert hjørne af den termiske regulator, forbindes med en bund køleplade, kendt som et termisk grænseflademateriale (TIM). Top- og bundpladerne holdes modsat af et sæt af fire forspændingsfjedre, som skaber en 0,5 mm luftspalte mellem top- og bundpladen og også holder SMA-tråden i spændt tilstand. Dette definerer den termisk-isolerende OFF-tilstand.

Når batteriet varmes op, SMA, på grund af en fasetransformation, begynder at trække sig sammen og trække de to plader tættere på. Termisk ledningsevne er meget lav, indtil de to plader rører hinanden, på hvilket tidspunkt kraften af ​​den kontraherende tråd er større end den modsatte kraft af forspændingsfjederen, og TIM-pladen (nederst) kommer i kontakt med den termiske regulatorplade, der holder batterierne (øverst), og begynder at sprede varme; denne situation definerer ON-tilstanden. Den her beskrevne prototypiske model indkapsler essensen af ​​den passive termiske grænsefladeregulator.

For at validere det grundlæggende i dette koncept med hensyn til SMA-tråden og forspændingsfjedrene, undersøgelsens forfattere byggede en model og testede den i et vakuumkammer, ved at bruge to termokoblede rustfri stålstænger som varmekilde og en køleplade - disse svarer til top- og bundpladerne her, henholdsvis. I forsøget termisk isolering i OFF-tilstand viste sig at være fremragende, som bekræftet af den meget store temperaturdiskontinuitet ved grænsefladen og de små temperaturgradienter målt i hver af de rustfri stålstænger. Imidlertid, når den øvre bjælketemperatur oversteg SMA-overgangstemperaturen, spalten lukkede, og TIM (den nederste stang) begyndte at varme op betydeligt. Forfatterne bemærker, at omskiftningsprocessen her skete hurtigt, inden for cirka 10 sekunder, og at en rekord SR blev opnået ved 2, 070:1. De påpeger, at Nitinol SMA-ledningerne først skulle forkonditioneres under højere belastningsbelastninger, før man kunne stole på, at de kunne producere en stabil, gentagelig respons gennem mange cyklusser.

Med proof-of-concept etableret, forskerne gik videre til at demonstrere konceptet i praksis med to Panasonic 18650PF LIB'er klemt mellem aluminiumsplader, testet i et miljøkammer. Designet her brugte et lignende termisk regulatordesign modificeret til at passe til dimensionerne af batterierne i deres holder, hvilket krævede længere SMA-trådlængder og et mellemrum på omkring 1 mm mellem top- og bundplader. Også, at opfylde et højt præstationsniveau, det var afgørende at isolere de parallelle termiske baner i ledningerne og fjedrene og selve LIB'erne med et aerogel-tæppe. For at sammenligne ydeevne, forskerne leverede også to standard lineære modeller, "altid FRA" og "altid TIL, "som involverede udskiftning af SMA'en med rustfri ståltråde konfigureret til et konstant mellemrum eller konstant kontakt mellem de to plader, henholdsvis.

Under eksperimentelle forhold fra –20°C (-4°F; meget koldt) til 45°C (114°F; meget varmt), den termiske regulator fungerede godt, opvarmes hurtigt fra –20° C (–4° F) til omkring 20° C (68° F) på grund af varme fra batteriet tilbageholdt af luftgabet og øger batteriets brugsfaktor med en faktor tre. I den modsatte yderlighed, den termiske regulator fungerede også fremragende, overgang til ON-tilstand ved omkring 45°C (113°F), hvorefter temperaturstigningen i LIB'erne blev begrænset til 5°C (9°F). Efter at have testet denne termiske regulator opsætning gennem 1, 000 ON/OFF cyklusser, efterforskerne fandt, at OFF-tilstandens ydeevne kun var en smule forringet (en 8,5 % batterikapacitetsreduktion ved –20 ° C [–4 ° F]), mens ON-tilstandens ydeevne forblev uændret.

Som undersøgelsens forfattere bemærker, omkostningerne ved deres termiske regulator er minimale, når de bruges med standard "altid ON" termisk styringstilgang, som allerede ville omfatte en TIM-køleplade. Den ekstra masse af SMA og forspændingsfjedre er mindre end et gram, og prisen på Nitinol-tråden er omkring $6. "Demonstration med et batterimodul bestående af kommercielle 18650 lithium-ion-celler viser, at denne termiske regulator øger kapaciteten i koldt vejr med mere end tre gange blot ved at bibeholde batteriets selvgenererede varme ... samtidig med at modulet forhindrer overophedning i varmt vejr. miljøer selv ved høj 2C afladningshastighed, " konkluderer forskerne.

© 2018 Tech Xplore