Thermische „Ohrenschützer“ schützen Handy-Akkus vor extremen Temperaturen

Neue Forschungsergebnisse von Berkeley Ingenieure kann bald machen mehr praktische batteriebetriebene Fahrzeuge und Geräte bei extremen Temperaturen, wie z. B. in den eisigen Wintern in Minnesota oder ersticken-heiße Sommer im Death Valley. Diese Bedingungen stellen Temperaturbereiche, die außerhalb des engen liegen – in der Regel 20 bis 40 Grad Celsius – für optimale und sichere Leistung einer Lithium-Ionen-Batterie benötigt.

„Der optimale Temperaturbereich für Lithium-Ionen-Batterien möglicherweise kein ernstes Problem im milden Klima der San Francisco Bay Area, aber mitten im Winter in New York oder Lake Tahoe, es ist nicht ungewöhnlich für Smartphones automatisch abschalten, weil es zu kalt ist „sagte Chris Dames, UC Berkeley Professor für Maschinenbau und Leiter des Forschungsteams, die eine neue Wärmeregler entwickelt – in einer Studie in der Fachzeitschrift Nature Energiebeschrieben —, die dieses Problem lösen könnte.

Die Forscher erklärten, dass eine Batterie nutzbare Energie bei kalten Temperaturen steil abfällt. Bei minus 20 Grad Celsius liefern eine typischen kommerziellen Lithium-Ionen-Akku-Zelle nur 20 Prozent der Raumtemperatur Kapazität.

Hohe Temperaturen können auch Probleme für Batterien, erstellen die eigene Abwärme erzeugen. Batterie Lebensdauer halbieren in der Regel für jeden 13 Grad Celsius von Übertemperatur.

„Noch schlimmer ist, dass eine Überhitzung kann dazu führen,“thermal Runaway,“ein Ausfallmodus, die die Batterie Feuer in Elektroautos sowie bestimmte Handys führen kann, und die Elektronik, die wir in den Nachrichten gehört haben“, sagte Studienautor Blei Menglong Hao, ein Postdoc Forscher im Labor Dames.

Verwaltung von widersprüchlichen Anforderungen der Temperatur ist eine Herausforderung für thermische Verpackungen gewesen. Aktuelle Methoden, die Batterien bei ihrer bevorzugten Temperaturen halten verbrauchen Energie und sind zu teuer oder zu sperrig, um in vielen tragbaren Anwendungen umfassen. Im Gegensatz dazu hält der neue thermische Regler von UC Berkeley-Ingenieuren entwickelte Batterien bei stabilen Temperaturen durch ein passives System, das nicht zusätzlichen Energie verbraucht.

„Aktive Heizung und Kühlung kostet Energie, Energie, die Sie nicht wollen, verbringen Sie auf den Akku bequem zu halten, wenn Sie es verwendet haben könnte, um weitere 50 Meilen zu fahren“, sagte Dames.

Das passive System verwendet eine Formgedächtnislegierung, eine Klasse von Material, das ist typisch weich und biegsam bei niedrigen Temperaturen, aber wieder in seine ursprüngliche Form bei höheren Temperaturen verhärtet. Solche Materialien sind im Handel erhältlich und in medizinischen Implantaten routinemäßig eingesetzt.

Die genaue Temperatur des Übergangs von zart bis hart richtet sich nach der Mischung der Metalle. In diesem Fall wählten die Forscher Nickel und Titan Legierung Drähte, die bei 35 Grad Celsius umgestellt. Unterhalb dieser Schwelle die Drähte gemildert, aber über 35 Grad Celsius, die Drähte versteift und beauftragt.

Die Forscher befestigt die Drähte mit einem Lithium-Ionen-Akkupack, so dass die Position „on“ mit den versteiften Drähten ziehen die Batterien eng in Kontakt mit einem Kühlkörper entworfen, um die Batterien Abkühlen bei höheren Temperaturen, war. Bei Temperaturen unter 35 Grad Celsius waren die weiche Drähte in der Stellung „aus“ so dass des Akku-Packs, Weg von den Kühlkörper mit Hilfe von komprimierten Quellen zu heben. Der entstehende Luftspalt vorgesehen Isolierung, die half, die Batterien durch die Verlangsamung der Ableitung der eigenen Abwärme warm zu halten.

Die Forscher untersuchten den Wärmeregler im Vakuum und realen Bedingungen zu bestätigen, dass ihr System einfach zwischen warmen und kalten Staaten bewegen konnte.

Bei kalter Umgebungstemperatur von minus 20 Grad Celsius zeigten sie, dass ihre thermische Regler die Temperatur um 20 Grad Celsius erhöhen könnte, nur durch die Beibehaltung der Batterie selbst erzeugte Wärme. Zur gleichen Zeit gehalten den Wärmeregler bei heißen Umgebungstemperatur von 45 Grad Celsius, die Akkus vor Überhitzung durch die Begrenzung der Temperaturanstieg auf etwa 6 Grad durch ständige Wärmeabfuhr.

„All dies war passiv, ohne Sensoren, Logik oder elektrische Leistungsaufnahme erreicht“, sagte Hao. „Ein weiterer Vorteil ist, dass die Form Speicher Legierung Drähte billig sind, nur 1 Prozent der Gesamtkosten der Batterie läuft, so ist dies ein kostengünstiges System.“

In einem Gastbeitrag veröffentlicht in Energie der Natursagte Carnegie Mellon Universität Professoren Jonathan Malen und Venkat Viswanathan der Thermoschalter an der UC Berkeley entwickelt Technologien außer Batterien verbessern konnte, die empfindlich auf schwankende Temperaturen. Dazu gehören Brennstoffzellen, Sensoren und Laser.

Die UC Berkeley-Forscher sagte, dass ihr System Wärmeregler Hauptimplikationen für verstärkten Einsatz von erneuerbaren Technologien haben könnte. Lithium-Ionen-Batterien eine Vielzahl von Consumer-Produkte von Elektroautos und Drohnen bis hin zu Laptops und Smartphones. Die Batterien spielen auch eine wichtige Rolle bei der Stabilisierung des Stromnetzes gegen schwankende solar und Windenergie durch erneuerbare Energien Lagereinheiten einschalten.

Die Autoren der Studie darauf hingewiesen, dass aus der 51 US-Metropolen mit einer Bevölkerung über 1 Million, 20 in der Regel Temperaturen, die unter Null Grad Celsius liegen und 11 Bereiche Sommertemperaturen, die routinemäßig über 100 Grad Celsius steigen .

„Durch die Erfindung einer neuen Art von Wärmeregler, kamen wir mit einem einzigen Design, das für Lake Tahoe im Januar und im August das Todestal arbeiten kann“, sagte Dames.

Weitere Informationen:
Menglong Hao Et Al. effizientes Thermomanagement von Lithium-Ionen-Batterien mit einer passiven Grenzflächen Wärmeregler, basierend auf einer Formgedächtnislegierung, Natur-Energie (2018). DOI: 10.1038/s41560-018-0243-8

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