Assim como Cachinhos Dourados e seu proverbial mingau, baterias de íon de lítio (LIBs) têm melhor desempenho quando a faixa de temperatura está correta, ou seja, nem muito quente nem muito frio. Mas este é um grande fator limitante quando se trata de usar LIBs em veículos elétricos (EVs) em muitos locais onde as temperaturas variam amplamente. LIBs funcionam mal em extremos de calor ou frio, e este é um obstáculo que impede uma transição para o uso mais amplo de EVs. Conforme os autores do estudo a seguir, "das 51 áreas metropolitanas dos Estados Unidos, 20 áreas normalmente experimentam dias extremamente frios abaixo de -18 ° C (0 ° F), enquanto as temperaturas do verão em 11 áreas (incluindo sobreposições com as 20 anteriores) normalmente excedem 38 ° C (100 ° F). "Variações de temperatura semelhantes certamente existem em todo o local principais áreas urbanas em todo o mundo, e também representam uma barreira para a aceitação de VEs como uma solução potencial de transporte de energia renovável.

Em um artigo recente publicado em Nature Energy Contudo, um grupo de pesquisadores da UC Berkeley relata uma nova invenção que promete mitigar efetivamente os efeitos dos extremos térmicos quando usada com LIBs. Seu papel, intitulado "Gerenciamento térmico eficiente de baterias de íon-lítio com um regulador térmico interfacial passivo baseado em uma liga com memória de forma, "detalha o panorama operacional contemporâneo dos LIBs em relação às variações da temperatura ambiente em vários locais, mas também em relação a outros fatores de confusão, como baterias mais recentes de carregamento e descarregamento rápido, que complicam ainda mais as estratégias de gerenciamento de calor. Eles observam que os componentes térmicos lineares tradicionais normalmente não conseguem gerenciar os extremos de calor e frio, e outras soluções potenciais, como loops de fluido controlados, não forneça um contraste ON / OFF alto o suficiente, para não mencionar as considerações de custo e peso quando usado com VEs. A solução deles é "livre de fluidos, regulador térmico passivo que estabiliza a temperatura da bateria em ambientes extremos quentes e frios. Sem qualquer fonte de alimentação ou lógica, o regulador térmico muda sua condutância térmica de acordo com a temperatura local da bateria e fornece a funcionalidade térmica desejável, retendo o calor quando está frio e facilitando o resfriamento quando está quente. "

Para conseguir esse efeito, seu projeto de regulador térmico passivo baseia-se em dois recursos não lineares principais de conceitos de regulador térmico existentes. O primeiro desses recursos, mudança de fase de estado sólido, exibe boa brusquidão em resposta à mudança de temperatura, mas não consegue atingir uma taxa de comutação adequadamente alta (SR) - isto é, a relação de condutância térmica do estado LIGADO / DESLIGADO - que é a principal métrica de desempenho para reguladores térmicos. O segundo recurso, a abertura e fechamento de uma interface térmica, tem um SR muito mais alto, mas depende da expansão térmica diferencial entre dois materiais. Quando a lacuna da interface entre os materiais é fechada, ele exibe uma forte condutância térmica não linear. Contudo, porque o efeito de expansão térmica é relativamente fraco aqui, este projeto requer um corpo regulador térmico indevidamente grande para realizar a abertura e o fechamento da lacuna.

Por mais complicado que os exemplos anteriores possam parecer, sua solução - que incorpora aspectos de mudança de fase de estado sólido e condutância de contato térmico interfacial - é notavelmente simples. Para atingir seus objetivos de design, os autores do estudo contam com uma liga com memória de forma (SMA) feita de nitinol, um fio flexível de liga de níquel / titânio que é encaminhado em torno da periferia de uma placa reguladora térmica superior, em que se assentam os LIBs. As extremidades do fio SMA, um correspondente a cada canto do regulador térmico, conectar com uma placa dissipadora de calor inferior, conhecido como material de interface térmica (TIM). As placas superior e inferior são mantidas em oposição por um conjunto de quatro molas de polarização, que criam um espaço de ar de 0,5 mm entre as placas superior e inferior e também mantêm o fio SMA em um estado de tensão. Isso define o estado de isolamento térmico desligado.

À medida que a bateria aquece, o SMA, devido a uma transformação de fase em curso, começa a se contrair e puxar as duas placas para mais perto. A condutância térmica é muito baixa até que as duas placas se toquem, em que ponto a força do fio de contração é maior do que a força oposta da mola de polarização, e a placa TIM (inferior) entra em contato com a placa reguladora térmica segurando as baterias (superior), e começa a dissipar o calor; esta situação define o estado ON. O modelo prototípico descrito aqui engloba a essência do regulador térmico interfacial passivo.

Para validar os fundamentos deste conceito no que diz respeito ao fio SMA e as molas de polarização, os autores do estudo construíram um modelo e o testaram em uma câmara de vácuo, usando duas barras de aço inoxidável termopadas como uma fonte de calor e um dissipador de calor - estes correspondendo às placas superior e inferior aqui, respectivamente. No experimento, o isolamento térmico no estado OFF provou ser excelente, como confirmado pela descontinuidade de temperatura muito grande na interface e os pequenos gradientes de temperatura medidos em cada uma das barras de aço inoxidável. Contudo, quando a temperatura da barra superior excedeu a temperatura de transição SMA, a lacuna fechou e o TIM (a barra inferior) começou a aquecer consideravelmente. Os autores observam que o processo de mudança aqui ocorreu rapidamente, em cerca de 10 segundos, e que um SR recorde foi alcançado em 2, 070:1. Eles ressaltam que os fios de Nitinol SMA primeiro tiveram que ser pré-condicionados sob cargas de estresse mais altas antes de poderem produzir um resposta repetível em muitos ciclos.

Com a prova de conceito estabelecida, os pesquisadores passaram a demonstrar o conceito na prática com duas Panasonic 18650PF LIBs imprensadas entre placas de alumínio, testado em uma câmara ambiental. O projeto aqui usou um projeto de regulador térmico semelhante modificado para se ajustar às dimensões das baterias em seu suporte, que exigia comprimentos de fio SMA mais longos e uma lacuna de cerca de 1 mm entre as placas superior e inferior. Também, para atender a um alto nível de desempenho, era crucial isolar as vias térmicas paralelas dos fios e das molas e dos próprios LIBs com uma manta de aerogel. Para comparar o desempenho, os pesquisadores também forneceram dois modelos lineares padrão, "sempre DESLIGADO" e "sempre LIGADO, "que envolveu a substituição do SMA por fios de aço inoxidável configurados para uma lacuna constante ou contato constante entre as duas placas, respectivamente.

Em condições experimentais que variam de –20 ° C (–4 ° F; muito frio) a 45 ° C (114 ° F; muito quente), o regulador térmico teve um bom desempenho, aquecendo rapidamente de –20 ° C (–4 ° F) a cerca de 20 ° C (68 ° F) devido ao calor da bateria retido pelo entreferro e aumentando o fator utilizável da bateria por um fator de três. No extremo oposto, o regulador térmico também teve um desempenho admirável, a transição para o estado ON a cerca de 45 ° C (113 ° F), após o que o aumento da temperatura nos LIBs foi limitado a 5 ° C (9 ° F). Depois de testar esta configuração do regulador térmico por meio de 1, 000 ciclos ON / OFF, os investigadores descobriram que o desempenho do estado DESLIGADO estava apenas ligeiramente degradado (uma redução de 8,5% da capacidade da bateria a –20 ° C [–4 ° F]), enquanto o desempenho do estado LIGADO permaneceu inalterado.

Como observam os autores do estudo, os custos de seu regulador térmico são mínimos quando usados ​​com a abordagem de gerenciamento térmico padrão "sempre LIGADO", que já incluiria um dissipador de calor TIM. A massa adicional da SMA e das molas de polarização é inferior a um grama, e o custo do fio de nitinol é de cerca de US $ 6. "A demonstração com um módulo de bateria que consiste em células comerciais de íon de lítio 18650 mostra que este regulador térmico aumenta a capacidade em climas frios em mais de três vezes, simplesmente retendo o calor gerado pela bateria ... enquanto evita que o módulo superaqueça em ambientes quentes ambientes, mesmo com alta taxa de descarga 2C, "concluem os pesquisadores.

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