Comme une fille blonde et son porridge, une batterie lithium-ion donne de meilleurs résultats lorsque la plage de température est correcte - ni trop chaude ni trop froide. Mais ceci est un facteur de limitation considérable lorsqu'il s'agit d'utiliser une batterie lithium-ion dans un appareil électrique. Dans de nombreux endroits, la température des voitures varie beaucoup. Les batteries lithium-ion ne fonctionnent pas bien à des températures extrêmement basses ou élevées, ce qui constitue un obstacle à la transition vers une utilisation plus large des véhicules électriques. Les auteurs de l'étude ont souligné que ' Aux États-Unis, dans 51 régions métropolitaines, 20 régions connaissent des journées extrêmement froides avec des températures inférieures à -18 ° C (0 ° F), tandis que les températures estivales dans 11 régions (y compris les 20 plus grandes) dépassent souvent les 38 ° C (100 ° F). Il y a certainement des changements de température similaires dans les principales zones urbaines du monde, ce qui entrave également l'utilisation des véhicules électriques en tant que solution de transport d'énergie renouvelable potentielle.
Toutefois, dans un article publié récemment dans Nature Energy, une équipe de chercheurs de l’Université de Californie à Berkeley a décrit une nouvelle invention qui devrait permettre de réduire efficacement les températures extrêmes lorsqu’elle est utilisée avec des batteries au lithium-ion. L'impact de leur document, intitulé «Gestion efficace de la chaleur des batteries lithium-ion avec un régulateur thermique à interface passive basé sur un alliage à mémoire de forme», décrit de manière opérationnelle les mots «changements de température du paysage et de l'environnement» dans différents domaines, mais aussi Les stratégies de charge rapide et de gestion thermique dans le processus de récupération des cendres sèches compliquent encore la situation, comme la batterie à trois brûleurs de la nouvelle Ma Steel, soulignant que les éléments thermiques linéaires traditionnels sont souvent incapables de prendre en compte les conditions extrêmes de chaleur et de froid, alors que d’autres sont possibles. Les solutions, telles que les circuits de fluide contrôlés, n'offrent pas un contraste marche / arrêt assez élevé, sans parler de considérations de coût et de poids lorsqu'elles sont utilisées avec des véhicules électriques. Leur solution est une chaleur passive sans fluide Le régulateur peut stabiliser la température de la batterie dans les environnements extrêmes de températures hautes et basses. 'En l'absence de toute énergie ou logique, le régulateur thermique est basé sur La température de la batterie au sol modifie sa conductivité thermique et fournit la fonction thermique requise pour maintenir la chaleur pendant le froid et favoriser le refroidissement pendant la chaleur.
Pour ce faire, leur conception de régulateur thermique passif s’appuie sur deux caractéristiques non linéaires essentielles du concept de régulateur thermique existant: la transition de phase à l’état solide, qui présente une bonne réponse aux variations de température. Mutant, mais n'atteignant pas un rapport de commutation (SR) suffisamment élevé - la conductivité thermique à l'état de commutation - qui est le principal indicateur de performance du régulateur thermique, la deuxième caractéristique est l'ouverture et la fermeture de l'interface thermique, son SR Il est beaucoup plus élevé, mais repose sur une dilatation thermique différentielle entre les deux matériaux, qui présente une forte conductance thermique non linéaire lorsque l’intervalle interfacial est fermé. Cependant, l’effet de dilatation thermique étant relativement faible, cette conception nécessite Un corps de régulateur de chaleur surdimensionné pour compléter l'ouverture et la fermeture de l'espace.
Bien que les exemples précédents semblent compliqués, leur solution, qui intègre deux aspects des transitions de phase à l'état solide et de la conductance de contact thermique interfaciale, est très simple: pour atteindre leurs objectifs de conception, les chercheurs utilisent Nitinol. Alliage à mémoire de forme (SMA): un alliage nickel-titane est un fil de nitinol flexible qui court autour du bord de la plaque supérieure du régulateur thermique et dont les extrémités correspondent à chacun des régulateurs thermiques. Le coin, connecté à un dissipateur thermique inférieur, appelé matériau d'interface thermique (TIM), est contrôlé par un ensemble de ressorts à quatre voies qui créent un intervalle d'air de 0,5 mm entre les plaques supérieure et inférieure et maintiennent le fil SMA sous tension. Ceci définit l'état de déconnexion de l'isolation thermique.
Lorsque la batterie est chauffée, le SMA commence à se contracter et à rapprocher les deux plaques en raison du changement de phase.La conductivité thermique est très faible jusqu'à ce que les deux plaques soient en contact, point auquel la force de la ligne de contraction est supérieure à la force de réaction du ressort de polarisation. La plaque (en bas) entre en contact avec la plaque (en haut) du régulateur thermique et commence à dissiper de la chaleur; cette condition définit l'état d'activation (ON). Le modèle prototype décrit dans cet article révèle la nature du régulateur thermique à interface passive.
Pour vérifier les principes de base de ce concept pour les fils SMA et les ressorts polarisés, l’auteur de l’étude a établi un modèle et l’a testé dans une chambre à vide, en utilisant deux barres en acier inoxydable à thermocouple comme sources de chaleur et en les faisant glisser à chaud, en faisant correspondre Dans l’expérience, l’isolation thermique à l’état OFF s’est révélée être très bonne, confirmée par une très grande discontinuité de la température à l’interface et un faible gradient de température mesuré à chaque barre d’acier inoxydable. Lorsque la température de la tige dépasse la température de transition SMA, l’espace se ferme et la TIM commence à chauffer.Les auteurs notent que ce processus de conversion s’achève rapidement en 10 secondes environ et que l’enregistrement SR est atteint à 2070: 1. Les fils en alliage à mémoire de titane doivent être pré-conditionnés sous des charges de stress élevées pour produire une réponse stable et reproductible sur plusieurs cycles.
Avec la mise en place de la preuve de concept, les chercheurs ont commencé à démontrer ce concept dans la pratique: deux Panasonic 18650 LIB, placés entre des plaques d’aluminium et testés dans une chambre climatique, ont été conçus avec un régulateur thermique similaire. La taille du support, qui nécessite une longueur de fil SMA plus longue et un espacement d'environ 1 mm entre les plaques supérieure et inférieure.En outre, pour atteindre des niveaux de performance élevés, la couche d'aérogel est utilisée pour isoler les fils et les canaux thermiques parallèles des ressorts et des LIB sont eux-mêmes Important: pour comparer les performances, les chercheurs ont également fourni deux modèles linéaires standard, «toujours éteint» et «toujours allumé», qui comprenaient le remplacement du SMA par des fils en acier inoxydable configurés entre les deux plaques. Espace constant ou contact constant.
Dans les conditions expérimentales, à partir de -20 ° C (4 ° F; très froid) à 45 ° C (114 ° F; très chaud), le régulateur thermique fonctionne bien et le climat se réchauffe rapidement à partir de -20 ° C (4 ° F). 20 ° C (68 ° F) en raison de la rétention de chaleur de la batterie à travers l'entrefer et de l'augmentation du facteur de charge de la batterie est provoquée par trois facteurs: à l'opposé, le régulateur thermique a également très bien fonctionné, effectuant une transition vers le pays à 45 ° C L'augmentation de la température des paroles est alors limitée à 5 ° C. En testant ce régulateur thermique réglé sur le cycle 1000 marche / arrêt, les enquêteurs ont constaté que les performances de l'état ne sont que légèrement réduites (réduction de la batterie de 8,5%). La capacité est de -20 ° C (4 ° F), tandis que la performance dans le pays reste inchangée.
Comme le soulignent les auteurs de l’étude, lorsqu’on utilise la méthode de gestion thermique «toujours active», le coût de leurs régulateurs thermiques est minime, ce qui inclut déjà un dissipateur thermique TIM. La masse supplémentaire du ressort est inférieure à 1 gramme et le nitinol coûte environ 6 dollars. »La démonstration par un module de batterie constitué d'une batterie lithium-ion commerciale 18650 montre que ce régulateur thermique ne fait qu'économiser la chaleur qu'elle produit elle-même. Le temps froid peut être multiplié par trois. 'En même temps, le module peut ne pas surchauffer, même à une température élevée de 2 degrés Celsius.
