Proprio come Riccioli d'oro e il suo proverbiale porridge, le batterie agli ioni di litio (LIB) funzionano meglio quando l'intervallo di temperatura è giusto, ovvero né troppo caldo né troppo freddo. Ma questo è un enorme fattore limitante quando si tratta di utilizzare i LIB nei veicoli elettrici (EV) in molti luoghi in cui le temperature variano ampiamente. I LIB si comportano male in condizioni di caldo o freddo estremi, e questo è un ostacolo che impedisce una transizione verso un uso più ampio di veicoli elettrici. Come notano gli autori dello studio a seguire, "delle 51 aree metropolitane degli Stati Uniti, 20 aree normalmente sperimentano giornate estremamente fredde al di sotto di -18° C (0° F) mentre le temperature estive in 11 aree (comprese le sovrapposizioni con le prime 20) superano abitualmente i 38° C (100° F)." Esistono certamente variazioni di temperatura simili in tutto grandi aree urbane del mondo, e allo stesso modo rappresentano una barriera alla diffusione dei veicoli elettrici come potenziale soluzione di trasporto di energia rinnovabile.

In un recente articolo pubblicato su Energia della natura però, un gruppo di ricercatori della UC Berkeley segnala una nuova invenzione che promette di mitigare efficacemente gli effetti degli estremi termici quando viene utilizzata con i LIB. La loro carta, dal titolo "Gestione termica efficiente delle batterie agli ioni di litio con un regolatore termico interfacciale passivo basato su una lega a memoria di forma, " dettaglia il panorama operativo contemporaneo dei LIB in relazione alle variazioni di temperatura ambiente in vari locali, ma anche per quanto riguarda altri fattori confondenti, come le nuove batterie a ricarica rapida e a scaricamento rapido, che complicano ulteriormente le strategie di gestione del calore. Notano che i componenti termici lineari tradizionali in genere non riescono a gestire entrambi gli estremi di caldo e freddo, e altre possibili soluzioni, come circuiti di fluidi controllati, non forniscono un contrasto ON/OFF sufficientemente alto, per non parlare delle considerazioni sul costo e sul peso quando viene utilizzato con i veicoli elettrici. La loro soluzione è "un fluido senza, regolatore termico passivo che stabilizza la temperatura della batteria in ambienti estremi sia caldi che freddi. Senza alcun alimentatore o logica, il termoregolatore commuta la sua conduttanza termica in base alla temperatura locale della batteria e fornisce la funzionalità termica desiderabile, trattiene il calore quando fa freddo e facilita il raffreddamento quando fa caldo."

Per ottenere questo effetto, il loro design del regolatore termico passivo si basa su due caratteristiche chiave non lineari dei concetti di regolatore termico esistenti. La prima di queste caratteristiche, cambiamento di fase allo stato solido, mostra una buona bruschezza in risposta al cambiamento di temperatura, ma non riesce a raggiungere un rapporto di commutazione (SR) adeguatamente elevato, ovvero il rapporto di conduttanza termica dello stato ON/OFF, che è la principale metrica delle prestazioni per i regolatori termici. La seconda caratteristica, l'apertura e la chiusura di un'interfaccia termica, ha un SR molto più alto ma si basa sulla dilatazione termica differenziale tra due materiali. Quando il divario di interfaccia tra i materiali è chiuso, mostra una forte conduttanza termica non lineare. Però, perché l'effetto di espansione termica è relativamente debole qui, questo progetto richiede un corpo termoregolatore eccessivamente grande per realizzare l'apertura e la chiusura dell'intercapedine.

Per quanto complicati possano sembrare gli esempi precedenti, la loro soluzione, che incorpora aspetti sia del cambiamento di fase allo stato solido che della conduttanza del contatto termico interfacciale, è straordinariamente semplice. Per raggiungere i propri obiettivi di progettazione, gli autori dello studio si affidano a una lega a memoria di forma (SMA) a base di Nitinol, un filo flessibile in lega di nichel/titatnio che viene instradato attorno alla periferia di una piastra di regolazione termica superiore, su cui siedono i LIB. Le estremità del filo SMA, uno corrispondente ad ogni angolo del termoregolatore, collegare con una piastra inferiore di dissipazione del calore, noto come materiale di interfaccia termica (TIM). Le piastre superiore e inferiore sono tenute in opposizione da una serie di quattro molle diagonali, che creano un traferro di 0,5 mm tra le piastre superiore e inferiore e mantengono anche il filo SMA in uno stato di tensione. Definisce lo stato di OFF termoisolante.

Man mano che la batteria si riscalda, la SMA, a causa di una trasformazione di fase in corso, comincia a contrarsi e ad avvicinare le due placche. La conduttanza termica è molto bassa finché le due piastre non si toccano, a quel punto la forza del filo in contrazione è maggiore della forza opposta della molla di polarizzazione, e la piastra TIM (in basso) va a contatto con la piastra del termoregolatore che contiene le batterie (in alto), e comincia a dissipare calore; questa situazione definisce lo stato ON. Il modello prototipo qui descritto racchiude l'essenza del regolatore termico interfacciale passivo.

Per convalidare i fondamenti di questo concetto per quanto riguarda il filo SMA e le molle polarizzate, gli autori dello studio hanno costruito un modello e lo hanno testato in una camera a vuoto, utilizzando due barre di acciaio inossidabile termoaccoppiate come fonte di calore e un dissipatore di calore, questi corrispondono alle piastre superiore e inferiore qui, rispettivamente. Nell'esperimento, ottimo l'isolamento termico in stato OFF, come confermato dalla discontinuità di temperatura molto grande all'interfaccia e dai piccoli gradienti di temperatura misurati in ciascuna delle barre di acciaio inossidabile. Però, quando la temperatura della barra superiore ha superato la temperatura di transizione SMA, il gap si è chiuso e la TIM (la barra inferiore) ha iniziato a scaldarsi notevolmente. Gli autori notano che il processo di cambiamento qui è avvenuto rapidamente, entro circa 10 secondi, e che un record SR è stato raggiunto a 2, 070:1. Sottolineano che i fili Nitinol SMA dovevano prima essere precondizionati sotto carichi di stress più elevati prima di poter fare affidamento su di loro per produrre una stabile, risposta ripetibile attraverso molti cicli.

Con il proof-of-concept stabilito, i ricercatori sono passati alla dimostrazione pratica del concetto con due LIB Panasonic 18650PF inseriti tra piastre di alluminio, testato in camera ambientale. Il progetto qui utilizzava un modello di regolatore termico simile modificato per adattarsi alle dimensioni delle batterie nel loro supporto, che richiedeva lunghezze dei cavi SMA più lunghe e uno spazio di circa 1 mm tra le piastre superiore e inferiore. Anche, per soddisfare un alto livello di prestazioni, era fondamentale isolare i percorsi termici paralleli dei fili e delle molle e gli stessi LIB con una coperta di aerogel. Per confrontare le prestazioni, i ricercatori hanno anche fornito due modelli lineari standard, "sempre OFF" e "sempre ON, " che ha comportato la sostituzione della SMA con fili di acciaio inossidabile configurati per una distanza costante o un contatto costante tra le due piastre, rispettivamente.

In condizioni sperimentali che vanno da –20° C ( –4° F; molto freddo) a 45° C (114° F; molto caldo), il termoregolatore si è comportato bene, riscaldandosi rapidamente da –20° C ( –4° F) a circa 20° C (68° F) a causa del calore della batteria trattenuto dal traferro e aumentando il fattore utile della batteria di un fattore tre. All'estremo opposto, anche il termoregolatore si è comportato egregiamente, passando allo stato ON a circa 45° C (113° F) dopodiché l'aumento di temperatura nei LIB è stato limitato a 5° C (9° F). Dopo aver testato questa configurazione del regolatore termico tramite 1, 000 cicli ON/OFF, i ricercatori hanno riscontrato che le prestazioni dello stato OFF erano solo leggermente degradate (una riduzione della capacità della batteria dell'8,5% a -20 ° C [–4° F]) mentre le prestazioni dello stato ON sono rimaste invariate.

Come notano gli autori dello studio, i costi del loro termoregolatore sono minimi se utilizzati con l'approccio standard di gestione termica "sempre ON", che includerebbe già un dissipatore TIM. La massa aggiuntiva delle molle SMA e bias è inferiore a un grammo, e il costo del filo Nitinol è di circa $6. "La dimostrazione con un modulo batteria costituito da 18650 celle commerciali agli ioni di litio mostra che questo regolatore termico aumenta di oltre tre volte la capacità a basse temperature semplicemente trattenendo il calore autogenerato della batteria... ambienti anche ad alta velocità di scarica 2C, " concludono i ricercatori.

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