Termiske høreværn beskytter mobiltelefonens batterier mod ekstreme temperaturer

Ny forskning fra Berkeley-ingeniører kan snart gøre det mere praktisk at bruge batteridrevne køretøjer og enheder i ekstreme temperaturer, såsom i iskolde vintre i Minnesota eller kvælende varme somre i Death Valley. Disse forhold repræsenterer temperaturområder, der falder uden for det smalle vindue - typisk 20 til 40 grader Celsius - som er nødvendige for et lithium-ion-batteris optimale og sikre ydeevne.

"Det optimale temperaturområde for lithium-ion-batterier er muligvis ikke et alvorligt problem i det milde klima i San Francisco Bay Area, men midt om vinteren i New York eller Lake Tahoe, det er ikke usædvanligt, at smartphones automatisk slukker, fordi det er for koldt, " sagde Chris Dames, en UC Berkeley professor i maskinteknik og leder af forskerholdet, der udviklede en ny termisk regulator - beskrevet i en undersøgelse i tidsskriftet Naturenergi - Det kunne løse problemet.

Forskerne forklarede, at et batteris brugbare energi falder dramatisk i kolde temperaturer. Ved minus 20 grader celsius, en typisk kommerciel lithium-ion battericelle kan kun levere 20 procent af sin rumtemperaturkapacitet.

Høje temperaturer kan også skabe problemer for batterier, som genererer deres egen spildvarme, når de er i brug. Batterilevetiden halveres typisk for hver 13 grader Celsius af overtemperatur.

"Hvad er værre er, at overophedning kan føre til 'termisk løbsk' ' en fejltilstand, der kan føre til batteribrande i elbiler samt visse mobiltelefoner og elektronik, som vi har hørt om i nyhederne, " sagde studielederforfatter Menglong Hao, en postdoc-forsker i Dames' laboratorium.

Håndtering af modstridende temperaturbehov har været en udfordring for termisk emballage. Nuværende metoder, der holder batterier ved deres foretrukne temperaturer, bruger energi og er for dyre eller omfangsrige til at inkludere i mange bærbare applikationer. I modsætning, den nye termiske regulator udviklet af UC Berkeleys ingeniører holder batterier ved stabile temperaturer gennem et passivt system, der ikke bruger ekstra energi.

"Aktiv opvarmning og køling koster energi, energi, som du ikke vil bruge på at holde batteriet komfortabelt, når du kunne have brugt det til at køre yderligere 50 miles, " sagde Dames.

Det passive system bruger en formhukommelseslegering, en klasse af materiale, der er karakteristisk blødt og bøjeligt ved lave temperaturer, men hærder tilbage til sin oprindelige form ved højere temperaturer. Sådanne materialer er kommercielt tilgængelige og anvendes rutinemæssigt i medicinske implantater.

Den nøjagtige temperatur på overgangen fra blød til hård afhænger af blandingen af ​​metallerne. I dette tilfælde, forskerne valgte nikkel- og titanlegeringstråde, der skiftede ved 35 grader Celsius. under den tærskel, ledningerne blev bløde, men over 35 grader Celsius, ledningerne stivnede og trak sig sammen.

Forskerne fastgjorde ledningerne til en lithium-ion batteripakke, således at "on" positionen var ved de højere temperaturer, med de afstivede ledninger, der trækker batterierne tæt i kontakt med en køleplade designet til at køle batterierne ned. Ved temperaturer under 35 grader celsius, de blødgjorte ledninger var i "off" position, lader batteripakken løfte sig væk fra kølepladen ved hjælp af komprimerede fjedre. Den resulterende luftspalte gav isolering, der hjalp med at holde batterierne varme ved at bremse afgivelsen af ​​deres egen spildvarme.

Forskerne testede den termiske regulator i både vakuum og virkelige forhold for at bekræfte, at deres system nemt kunne bevæge sig mellem varme og kolde tilstande.

Ved en kold omgivelsestemperatur på minus 20 grader celsius, de demonstrerede, at deres termiske regulator kunne øge batteritemperaturen til 20 grader Celsius blot ved at bevare batteriets selvgenererede varme. På samme tid, ved en varm omgivelsestemperatur på 45 grader Celsius, den termiske regulator holdt batterierne fra overophedning ved at begrænse temperaturstigningen til omkring 6 grader gennem konstant varmeafledning.

"Alt dette blev opnået passivt, uden sensorer, logik eller elektrisk strømforbrug, " sagde Hao. "En anden fordel er, at formhukommelses-legeringstrådene er billige, kører kun 1 procent af de samlede omkostninger ved batteriet, så dette er et omkostningseffektivt system."

I en kommentar offentliggjort i Naturenergi , Carnegie Mellon University professorer Jonathan Malen og Venkat Viswanathan sagde, at den termiske switch udviklet ved UC Berkeley kunne forbedre andre teknologier end batterier, der er følsomme over for svingende temperaturer. Disse omfatter brændselsceller, sensorer og lasere.

UC Berkeley-forskerne sagde, at deres termiske regulatorsystem kunne have store konsekvenser for en bredere anvendelse af vedvarende teknologier. Lithium-ion-batterier driver en lang række forbrugerprodukter lige fra elbiler og droner til bærbare computere og smartphones. Batterierne spiller også en nøglerolle i at stabilisere elnettet mod fluktuerende sol- og vindproduktion ved at drive vedvarende energilagringsenheder.

Forfatterne af undersøgelsen bemærkede, at ud af de 51 amerikanske storbyområder med befolkninger på over 1 million, 20 oplever typisk temperaturer, der falder under nul grader Fahrenheit, og 11 områder har sommertemperaturer, der rutinemæssigt stiger over 100 grader Fahrenheit.

"Ved at opfinde en ny type termisk regulator, vi fandt på et enkelt design, der kan fungere til både Lake Tahoe i januar og Death Valley i august, " sagde Dames.