Una nuova ricerca degli ingegneri di Berkeley potrebbe presto rendere più pratico l'utilizzo di veicoli e dispositivi alimentati a batteria a temperature estreme, come nei gelidi inverni del Minnesota o nelle torride estati della Death Valley. Tali condizioni rappresentano intervalli di temperatura che cadono al di fuori della finestra stretta, in genere da 20 a 40 gradi Celsius, necessaria per le prestazioni ottimali e sicure di una batteria agli ioni di litio.

"L'intervallo di temperatura ottimale per le batterie agli ioni di litio potrebbe non essere un problema serio nel clima mite della Baia di San Francisco, ma in pieno inverno a New York o Lake Tahoe, non è insolito che gli smartphone si spengano automaticamente perché fa troppo freddo, " ha detto Chris Dames, un professore di ingegneria meccanica dell'Università di Berkeley e capo del gruppo di ricerca che ha sviluppato un nuovo regolatore termico, descritto in uno studio sulla rivista Energia della natura —che potrebbe risolvere questo problema.

I ricercatori hanno spiegato che l'energia utilizzabile di una batteria diminuisce drasticamente a basse temperature. A meno 20 gradi Celsius, una tipica cella di batteria commerciale agli ioni di litio può fornire solo il 20% della sua capacità a temperatura ambiente.

Le alte temperature possono creare problemi anche alle batterie, che generano il proprio calore di scarto durante l'uso. La durata della batteria in genere si dimezza per ogni 13 gradi Celsius di temperatura in eccesso.

"Quello che è peggio è che il surriscaldamento può portare a 'fuga termica, ' una modalità di guasto che può portare agli incendi della batteria nelle auto elettriche, nonché in alcuni telefoni cellulari ed elettronica di cui abbiamo sentito parlare nelle notizie, " ha detto l'autore principale dello studio Menglong Hao, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Dames.

La gestione delle esigenze di temperatura contrastanti è stata una sfida per l'imballaggio termico. I metodi attuali che mantengono le batterie alle loro temperature preferite consumano energia e sono troppo costosi o ingombranti per essere inclusi in molte applicazioni portatili. In contrasto, il nuovo termoregolatore sviluppato dagli ingegneri di UC Berkeley mantiene le batterie a temperature stabili attraverso un sistema passivo che non consuma energia extra.

"Il riscaldamento e il raffrescamento attivi costano energia, energia che non vuoi spendere per mantenere la batteria comoda quando avresti potuto usarla per percorrere altre 50 miglia, " disse Dame.

Il sistema passivo utilizza una lega a memoria di forma, una classe di materiale che è caratteristicamente morbido e flessibile alle basse temperature, ma si indurisce tornando alla sua forma originale a temperature più elevate. Tali materiali sono disponibili in commercio e utilizzati di routine negli impianti medici.

L'esatta temperatura della transizione da morbido a duro dipende dalla miscela dei metalli. In questo caso, i ricercatori hanno scelto fili in lega di nichel e titanio che sono passati a 35 gradi Celsius. Al di sotto di tale soglia, i fili si sono ammorbiditi, ma sopra i 35 gradi Celsius, i fili si irrigidirono e si contrassero.

I ricercatori hanno collegato i fili a un pacco batteria agli ioni di litio in modo tale che la posizione "acceso" fosse alle temperature più elevate, con i fili irrigiditi che tirano saldamente le batterie a contatto con un dissipatore di calore progettato per raffreddare le batterie. A temperature inferiori a 35 gradi Celsius, i fili ammorbiditi erano in posizione "off", consentendo al pacco batteria di sollevarsi dal dissipatore di calore con l'aiuto di molle compresse. Il traferro risultante forniva un isolamento che aiutava a mantenere calde le batterie rallentando la dissipazione del loro stesso calore di scarto.

I ricercatori hanno testato il regolatore termico sia in condizioni di vuoto che nel mondo reale per confermare che il loro sistema potrebbe spostarsi facilmente tra stati caldi e freddi.

A una temperatura ambiente fredda di meno 20 gradi Celsius, hanno dimostrato che il loro regolatore termico potrebbe aumentare la temperatura della batteria a 20 gradi Celsius semplicemente trattenendo il calore autogenerato dalla batteria. Allo stesso tempo, a una temperatura ambiente calda di 45 gradi Celsius, il termoregolatore impediva il surriscaldamento delle batterie limitando l'aumento della temperatura a circa 6 gradi attraverso una costante dissipazione del calore.

"Tutto questo è stato realizzato passivamente, senza sensori, logica o consumo di energia elettrica, " ha detto Hao. "Un altro vantaggio è che i fili in lega a memoria di forma sono economici, eseguendo solo l'1 percento del costo totale della batteria, quindi questo è un sistema conveniente."

In un commento pubblicato su Energia della natura , I professori della Carnegie Mellon University Jonathan Malen e Venkat Viswanathan hanno affermato che l'interruttore termico sviluppato alla UC Berkeley potrebbe migliorare tecnologie diverse dalle batterie sensibili alle fluttuazioni di temperatura. Questi includono celle a combustibile, sensori e laser.

I ricercatori dell'UC Berkeley hanno affermato che il loro sistema di regolazione termica potrebbe avere importanti implicazioni per una più ampia adozione di tecnologie rinnovabili. Le batterie agli ioni di litio alimentano una serie di prodotti di consumo che vanno da auto elettriche e droni a laptop e smartphone. Le batterie svolgono anche un ruolo chiave nella stabilizzazione della rete elettrica contro le fluttuazioni della generazione solare ed eolica, alimentando le unità di accumulo di energia rinnovabile.

Gli autori dello studio hanno notato che delle 51 aree metropolitane degli Stati Uniti con una popolazione superiore a 1 milione, 20 in genere sperimentano temperature che scendono sotto zero gradi Fahrenheit, e 11 aree hanno temperature estive che normalmente superano i 100 gradi Fahrenheit.

"Inventando un nuovo tipo di termoregolatore, abbiamo trovato un unico progetto che può funzionare sia per Lake Tahoe a gennaio che per la Death Valley ad agosto, " disse Dame.