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Die Lithium-Ionen-Batterien zu neuen extremen
Oct 19, 2018

Die Lithium-Ionen-Batterien zu neuen extremen

von Matt Miles, Tech Xplore

行业新闻 

Genau wie Goldlöckchen und ihrer sprichwörtlichen Brei, Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) werden am besten wenn der Temperaturbereich genau richtig ist – das heißt, weder zu heiß noch zu kalt. Aber dies ist ein riesiger limitierender Faktor, wenn es zur Anwendung kommt LIBs in Elektrofahrzeuge (EVs) in vielen Schauplätzen wo Temperaturen stark variieren. LIBs in extreme Hitze oder Kälte schlecht durchführen, und das ist eine Straßensperre einen Übergang zu den breiteren Einsatz von EVs zu verhindern. Wie die Autoren der Studie, Hinweis, folgen "aus der 51 Metropolregionen in den Vereinigten Staaten erleben 20 Bereiche normalerweise extremere kalte Tagen unter – 18 ° C (0 ° F) während der sommerlichen Temperaturen in 11 Bereichen (einschließlich Überschneidungen mit dem ehemaligen 20) routinemäßig überschreiten 38 ° C (100 ° F)." Ähnlich wie Temperaturschwankungen sicherlich im gesamten städtischen hauptsächlichbereichen weltweit existieren, und ebenso stellen eine Barriere auf die Aufnahme des Freiwilligendienstes als eine potenzielle erneuerbare Energien Transportlösung.

 

In einem jüngst veröffentlichten Papier veröffentlicht in Energie der Natur jedoch eine Gruppe von UC Berkeley-Forscher berichten eine neuartige Erfindung, die effektiv Abschwächung der Auswirkungen der thermischen Extreme mit LIBs verspricht. Ihr Papier, mit dem Titel "Effizientes Thermomanagement von Lithium-Ionen-Batterien mit einer passiven Grenzflächen Wärmeregler, basierend auf einer Formgedächtnislegierung" beschreibt die zeitgenössische operative Landschaft libs in Bezug auf Umgebungstemperatur Variationen in verschiedenen Schauplätze, sondern auch in Bezug auf andere Störfaktoren, wie neuere Schnellladen und Discharing Batterien, die Wärme-Management-Strategien weiter zu komplizieren. Sie stellen fest, dass traditionelle lineare thermische Komponenten nicht in der Regel beide Extreme des heißen und kalten verwalten und andere möglichen Lösungen wie kontrollierte fluidkreisläufe nicht hoch genug ON/OFF-Kontrast bieten, ganz zu schweigen von Gewichts- und Überlegungen Wenn Sie mit EVs verwendet. Ihre Lösung ist "eine Flüssigkeit frei, passive thermische Regler, der Batterietemperatur in warmen und kalten Extremsituationen stabilisiert. Ohne Netzteil oder Logik den Wärmeregler schaltet seine thermische Leitfähigkeit entsprechend der lokalen Batterietemperatur und liefert die wünschenswert thermische Funktionalität, Wärme zu behalten, wenn es kalt und Erleichterung der Kühlung, wenn es heiß ist."

 

Um diesen Effekt zu erzielen, entzieht sich konstruktionsbedingt passive Wärmeregler auf zwei wichtige nichtlineare Funktionen bestehender Wärmeregler Konzepte. Die erste dieser Features, Solid-State-Phase-Change, weist gute Plötzlichkeit als Reaktion auf Temperaturänderungen, aber nicht, ein ausreichend hohes switching Verhältnis (SR) zu erreichen – das heißt, die ON/OFF Zustand thermische Leitfähigkeit Verhältnis – ist die erstklassige Leistung Metrik für thermische Regler. Das zweite Merkmal, das Öffnen und Schließen einer thermischen Schnittstelle hat eine viel höhere SR, sondern stützt sich auf die unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen zwei Materialien. Wenn die Schnittstelle Lücke zwischen Materialien geschlossen wird, weist es starke nichtlineare thermische Leitfähigkeit. Da die Wärmeausdehnung Effekt hier relativ schwach ist, erfordert dieses Design jedoch einen übermäßig große Wärmeregler Körper, das Öffnen und Schließen der Lücke zu erreichen.

 

 

 

So kompliziert, wie die obigen Beispiele klingen mag, ihre Lösung – verkörpert die Aspekte der Solid-State-Phase-Change und Grenzflächen thermischen Kontakt Leitwert – ist denkbar einfach. Um ihre Ziele zu erreichen, setzen die Autoren der Studie auf einer Formgedächtnislegierung (SMA) aus Nitinol, eine flexible Nickel /titatnium Legierung Draht, die an der Peripherie einer Platte Top Wärmeregler weitergeleitet wird, auf denen die LIBs sitzen gemacht. Die Enden des Drahtes SMA, eine entsprechende zu jeder Ecke der Wärmeregler, verbinden mit einem Wärme-Untergang Bodenplatte, bekannt als ein Wärmeleitmaterial (TIM). Die oberen und unteren Platten liegen in der Opposition eine Reihe von vier Bias Federn, die schaffen eines 0,5 mm Luftspaltes zwischen den oberen und unteren Platten und halten auch das SMA-Kabel in einem Zustand der Spannung. Die thermische insulative aus-Zustand definiert.

 

Als der Akku sich erwärmt, beginnt die SMA aufgrund einer durchmachenden Phasenumwandlung zu kontrahieren und ziehen die beiden Platten näher. Thermische Leitfähigkeit ist sehr gering, bis berühren sich die beiden Platten, an welcher die Kraft des Auftraggebers Stelle Draht größer als die Gegenkraft des Bias Frühlings ist und TIM Platte (unten) kontaktiert die Wärmeregler Platte halten die Batterien (oben) und beginnt Hitze zerstreuen; Diese Situation definiert ein-Zustand. Die prototypischen Modell beschriebenen Encapuslates das Wesen des passiven Grenzflächen Wärmeregler.

 

Um die Grundlagen dieses Konzepts im Hinblick auf das SMA-Kabel und die Vorspannung der Federn zu validieren, die Autoren der Studie ein Modell gebaut und getestet in einer Vakuumkammer mit zwei Stangen aus thermocoupled Edelstahl als eine Wärmequelle und eine Wärmesenke – diese entsprechend nach oben und unteren Platten bzw. hier. Im Experiment thermische Isolation im aus-Zustand erwies sich als ausgezeichnet, bestätigt die sehr großen Temperatur-Diskontinuität auf die Schnittstelle und die kleinen Temperaturgradienten, gemessen in jedem der Stangen aus Edelstahl. Jedoch, wenn die obere bar Temperatur überschritten die SMA Übergangstemperatur, die Lücke geschlossen und TIM (untere Leiste) zu stark erwärmen begann. Die Autoren merken an, dass die Schalter hier aufgetreten schnell, innerhalb von ca. 10 Sekunden, und dass ein Rekord SR 2, 070:1 erreicht wurde. Sie weisen darauf hin, dass die Nitinol-SMA Kabel hatte zunächst unter höherer Belastung bereits konditioniert werden geladen, bevor sie geltend gemacht werden könnte, um eine stabile, reproduzierbare Antwort durch viele Zyklen zu produzieren.

 

Mit den Proof-of-Concept gegründet die Forscher zu zeigen, das Konzept in der Praxis mit zwei Panasonic 18650PF LIBs weitergezogen eingeklemmt zwischen Aluminium-Platten, in einer Klimakammer getestet. Das Design hier verwendet eine ähnliche Wärmeregler Design modifiziert, um die Dimensionen der Batterien in ihre Halterung, welche aufzurufen für längere SMA Draht-Längen und eine Lücke von etwa 1 mm zwischen den oberen und unteren Platten passen. Auch, um ein hohes Maß an Leistung zu erreichen, war es entscheidend, die parallel thermischen Wege der Drähte und die Federn und die LIBs selbst mit einem Aerogel Decke isolieren. Um die Leistung vergleichen, lieferten den Forschern auch zwei lineare Standardmodelle, "immer OFF" und "always ON," vorsah, ersetzen die SMA mit Draht aus nichtrostendem Stahl für eine ständige Lücke oder ständigem Kontakt zwischen den beiden Platten bzw. konfiguriert.

 

Unter experimentellen Bedingungen von – 20 ° C (– 4 ° C; sehr kalt) auf 45 ° C (114 ° F; sehr heiß), den Wärmeregler erfreulich, Erwärmung schnell von – 20 ° C (– 4 ° F) bis ca. 20 ° C (68 ° F) durch die Hitze von der Batterie durch den Luftspalt beibehalten und die Erhöhung der wertvolle Faktor der Batterie um den Faktor drei. Am gegenüberliegenden Übermaß der Wärmeregler auch bewundernswert, war Übergang in den ein-Zustand bei ca. 45 ° C (113 ° F) Kommandobehörden der Temperaturanstieg in den LIBs beschränkt sich auf 5° C (9° F). Nach der Prüfung dieser Wärmeregler Aufstellung über 1.000 ein-/aus-Zyklen, fanden die Ermittler aus staatlichen Leistung nur geringfügig (ein 8,5 % Batterie Kapazitätsabbau bei – 20 ° C [– 4 ° F]) abgebaut werden, während die ON-Zustand-Leistung unverändert geblieben.

 

Wie die Studie Autoren beachten Sie, dass die Kosten für ihre Wärmeregler sind minimal, wenn verwendet mit dem Standard "always ON" Thermo-Managementansatz, der bereits einen TIM-Kühlkörper umfassen würde. Die Additoinal Masse der SMA und Bias Federn ist weniger als ein Gramm der Nitinol Draht kostet ca. $6 "Demonstration mit einem Batteriemodul bestehend aus kommerziellen 18650 Lithium-Ionen-Zellen zeigt, dass diese Wärmeregler Kälte Kapazität von mehr als dreifach erhöht einfach durch die Beibehaltung der Batterie selbst erzeugten Hitze... und gleichzeitig halten die die Forscher schließen Modul vor Überhitzung in heißen Umgebungen auch bei hoher Fördermenge der 2 C".