就像金髮姑娘和她的粥一樣, 鋰離子電池在溫度範圍合適時表現最好——既不太熱也不太冷. 但這是一個巨大的限制因素, 當涉及到使用鋰離子電池在電動汽車(EVs)在許多地方, 溫度變化很大. 鋰離子電池在極端的高溫或低溫下表現不佳, 這是阻止向更廣泛使用電動汽車過渡的一個障礙. 因為這項研究的作者指出, '51的大都市地區在美國, 20個地區通常經曆極端寒冷天低於-18°C(0°F),而夏季溫度在11個地區(包括與前20)經常超過38°C(100°F)' . 全球主要城市地區肯定存在著類似的溫度變化, 同樣, 這也阻礙了電動汽車作為一種潛在的可再生能源運輸解決方案的應用.
然而, 在最近發表在《自然能源》上的一篇論文中, 加州大學伯克利分校的一組研究人員報告了一項新發明, 它有望在與鋰離子電池一起使用時, 有效地減輕熱量極值的影響. 他們的論文, 題為 '高效的鋰離子電池熱管理與一個被動的界面熱調節器基於形狀記憶合金, '當代操作細節填詞的景觀與環境溫度的變化在不同的地區,但也對其他混雜因素, 如新馬鋼三燒電池, 幹灰回收工藝中快速充電和熱管理策略進一步複雜化. 他們指出, 傳統的線性熱元件通常無法同時兼顧冷熱兩種極端情況, 而其他可能的解決方案, 如受控的流體迴路, 無法提供足夠高的開/關對比, 更不用說與電動汽車一起使用時的成本和重量考慮. 他們的解決方案是 '一種無流體, 無源的熱調節器, 可以在高溫和低溫的極端環境中穩定電池的溫度. ' 在沒有任何電源或邏輯的情況下, 熱調節器根據當地電池溫度開關其熱導, 並提供所需的熱功能, 在冷時保持熱量, 在熱時促進冷卻.
為了達到這一效果, 他們的無源熱調節器設計借鑒了現有熱調節器概念中的兩個關鍵非線性特徵. 第一個特性是固態相變, 它在響應溫度變化時表現出良好的突變性, 但卻沒有達到足夠高的開關比(SR)——即開關狀態熱導比——這是熱調節器的主要性能指標. 第二個特徵是熱界面的開啟和關閉, 其SR要高得多, 但依賴於兩種材料之間的微分熱膨脹. 當材料之間的界面間隙閉合時, 表現出較強的非線性熱導. 然而, 由於這裡的熱膨脹效應相對較弱, 本設計需要一個過大的熱調節器體來完成間隙的開啟和關閉.
儘管前面的例子聽起來很複雜, 但它們的解決方案——它體現了固態相變和界面熱接觸電導的兩個方面——非常簡單. 為了實現他們的設計目標, 研究人員使用鎳鈦諾製成的形狀記憶合金(SMA). 鎳鈦合金是一種可彎曲的鎳鈦合金線, 它繞著頂部熱調節器板的邊緣運行. SMA金屬絲的兩端, 對應於熱調節器的每個角, 連接到一個底部散熱板, 稱為熱界面材料(TIM). 頂板和底板由一組四向斜彈簧控制, 在頂板和底板之間形成0.5毫米的氣隙, 並使SMA絲處於張力狀態. 這定義了熱絕緣斷開狀態.
當電池加熱時, 由於相變的原因, SMA開始收縮並將兩個板拉得更近. 導熱係數非常低, 直到兩個板接觸, 此時收縮線的力大於偏置彈簧的反作用力, TIM板(底部)接觸熱調節器板(頂部), 開始散熱;這種情況定義了ON狀態. 本文所描述的原型模型揭示了被動界面熱調節器的本質.
來驗證這個概念的基本原理對SMA絲和偏壓彈簧,該研究的作者建立了一個模型和測試它在一個真空室,用兩個熱電偶不鏽鋼酒吧作為熱源和熱拖垮這些相應的頂部和底部板,分別. 在實驗中, 在OFF狀態下的熱隔離被證明是非常好的, 通過在界面上非常大的溫度不連續和在每個不鏽鋼棒測量的小的溫度梯度來證實. 但當上棒溫度超過SMA轉變溫度時, 間隙閉合, TIM(下棒)開始升溫. 作者注意到, 這個轉換過程在大約10秒內迅速完成, 並以2070:1的速度實現了SR記錄. 他們指出, 鎳鈦記憶合金導線必須先在較高的應力載荷下預先調節, 才能在許多周期內產生穩定的, 可重複的響應.
隨著概念驗證的建立, 研究人員開始在實踐中演示這個概念, 兩個松下18650PF LIBs夾在鋁板之間, 在環境室中測試. 這裡的設計使用了一種類似的熱調節器設計來適應電池支架的尺寸, 它要求更長的SMA電線長度和上下板之間1毫米左右的間隙. 此外, 為了滿足高水平的性能, 用氣凝膠層隔離電線, 彈簧和LIBs本身的平行熱通道是至關重要的. 為了比較性能, 研究人員還提供了兩個標準的線性模型, 'always OFF' 和 'always ON' , 其中包括用不鏽鋼線替換SMA, 這兩種線分別配置為兩個板之間的恒定間隙或恒定接觸.
在實驗條件下從-20°C(4°F;很冷)45°C(114°F;很熱),熱調節器表現良好,氣候變暖迅速從-20°C(4°F)約20°C(68°F)由於電池的熱量保留通過氣隙和增加電池的uable因子是由三個因素造成的. 在另一個極端,熱調節器也表現非常優秀,過渡到國家在45°C(113°F)然後填詞的溫升僅限於5°C(9°F). 在測試這個熱調節器設置在1000年開/關周期,調查人員發現了狀態性能只是稍微降低(8.5%減少電池容量在-20°C[4°F]),而在國家性能保持不變.
正如研究報告的作者所指出的那樣, 當使用標準的 '總是開著的' 熱管理方法時, 它們的熱調節器的成本是最小的, 這已經包括了一個TIM散熱器. SMA和偏置彈簧的附加質量不到1克, 鎳鈦諾絲的成本約為6美元. '由商用18650鋰離子電池組成的電池模組進行的演示表明, 這種熱調節器僅通過保留電池的自產熱量, 就能將寒冷天氣的能力提高三倍以上. ' 同時, 即使是在2攝氏度的高溫下, 也能防止模組過熱.
