Хотя литий-ионные батареи во время работы преобразуют в тепло только менее 10% своей энергии, если не контролировать это тепло эффективно, оно ускорит старение аккумулятора и даже в крайних случаях приведет к выходу из строя и возгоранию. Напротив, «неэффективная» электрохимическая система человека генерирует достаточно тепла, чтобы вскипятить сотни чашек чая каждый день, но при этом может поддерживать стабильную температуру тела. Ключ кроется в коже и ее механизме рассеивания тепла через потоотделение.Вдохновленная этим, исследовательская группа из Городского университета Гонконга недавно разработала «адаптивную охлаждающую пленку из нанокомпозитов, подобную коже», которая позволяет батареям «потеть и остывать», как кожа млекопитающих.
В течение многих лет почти все литиевые аккумуляторные системы, от мобильных телефонов до электромобилей, были оснащены системами терморегулирования, включая вентиляторы, радиаторы, контуры жидкостного охлаждения и материалы с фазовым переходом, для поддержания температуры элемента в безопасном диапазоне. Хотя эти решения являются зрелыми и эффективными, они часто имеют сложную структуру, занимают место и требуют дополнительного энергопотребления. Исследовательская группа считает, что природа уже предоставила эффективное и элегантное решение: кожа млекопитающих обеспечивает чрезвычайно эффективное регулирование температуры тела посредством «пота + испарения». Если этот механизм удастся спроектировать и пересадить на батарею, ожидается, что он одновременно улучшит производительность, безопасность и простоту системы.
По имеющимся данным, эта новая охлаждающая пленка покрывает поверхность аккумулятора как «кожу». Он состоит из функциональных материалов, таких как хлорид лития (LiCl), оксид графена (GO), волокно активированного угля (ACF), заключен в пористую мембрану из политетрафторэтилена (ПТФЭ) и поддерживается медным каркасом. У каждого компонента есть четкое разделение труда: LiCl — высокогигроскопичная соль, способная поглощать и хранить влагу из воздуха при низкой температуре; оксид графена образует эффективную теплопроводящую сеть, которая быстро распределяет тепло, выделяемое батареей, внутри мембраны; пористая структура активированного углеродного волокна значительно увеличивает площадь испарения; медный каркас помогает равномерно распределять тепло и избегать локального перегрева; Внешняя мембрана из ПТФЭ предотвращает утечку раствора, обеспечивая при этом свободный проход водяного пара.
Когда аккумулятор нагревается, влага, хранящаяся в мембране, поглощает тепло и быстро испаряется, отводя тепло от поверхности аккумулятора. Этот процесс известен как «десорбционное охлаждение». Когда аккумулятор остынет, мембрана самопроизвольно впитает воду из окружающего воздуха, восстанавливая свой «запас влаги» и готовясь к следующему раунду работы. Исследовательская группа отметила, что эта адаптивная характеристика поглощения и выделения влаги позволяет охлаждающей пленке автоматически регулировать свое состояние в различных условиях работы и обеспечивать непрерывную циркуляцию без необходимости использования внешней системы управления.
Экспериментальные данные показали, что адаптивная охлаждающая пленка достигла средней охлаждающей мощности 802,5 Вт·м⁻² при проверке концепции и снизила температуру на 34,3 градуса Цельсия (приблизительно 61,7 градуса по Фаренгейту) при высокой плотности теплового потока 2,7 кВт·м⁻². При проведении тестов высокоскоростного заряда и разряда коммерческого литий-ионного аккумулятора номиналом 3,7 В/12 Ач срок службы аккумулятора с использованием этой охлаждающей пленки увеличился со 118 раз до 233 раз, что почти вдвое. Исследователи отметили, что в условиях сильной тепловой нагрузки, близкой к реальным условиям работы высокопроизводительных батарей, материал все же может достигать охлаждения более чем на 30 градусов Цельсия, что достаточно для значительного подавления снижения производительности и рисков безопасности.
В дополнение к своим охлаждающим свойствам нанокомпозитная пленка также обладает превосходными огнезащитными свойствами, эффективно предотвращая распространение теплового неконтроля в условиях, которые обычно вызывают возгорание. В ходе испытаний мембрана сохраняла стабильные характеристики терморегулирования после более чем 1000 часов жесткого цикла использования, демонстрируя хорошую долговечность и повторяемость. Что еще более важно, вся система пассивно охлаждается и не требует никакого дополнительного питания: LiCl в пленке автоматически реабсорбирует влагу из воздуха при падении температуры батареи, «заряжая» следующий отвод тепла.
«Наша цель — разработать пассивное, компактное, недорогое и практичное решение для управления температурным режимом, которое обеспечивает мощные возможности охлаждения без затрат внешней энергии, принимая во внимание надежность и безопасность во время реальной работы от батареи». сказал руководитель проекта доктор Суй Цзэнгуан. Благодаря своей простой конструкции и компактным размерам эта охлаждающая пленка имеет широкие возможности масштабирования и может быть увеличена или уменьшена в размерах в соответствии с потребностями. Ожидается, что он будет применяться во всем: от портативных электронных устройств до больших аккумуляторных батарей для электромобилей.
Однако исследовательская группа также напоминает, что эта технология в настоящее время больше подходит для сценариев, когда тепловая нагрузка меняется периодически или периодически. В условиях постоянной высокой плотности теплового потока охлаждающая способность будет ограничена, поскольку материалу требуется время, чтобы остыть и повторно впитать влагу. Другими словами, это пассивное решение для охлаждения, которое хорошо подходит для «прерывистой работы с высокой мощностью», а не универсальное решение для устойчивых экстремально высоких температур.
Хотя он все еще находится на относительно ранней стадии и требует дальнейших исследований, разработок и проверок перед полной индустриализацией, исследователи весьма оптимистичны в отношении его перспектив. Они считают, что эта технология очень привлекательна для любого сценария, который является легким, компактным, не требует дополнительного источника питания, но требует «значительной мощности охлаждения», особенно в областях, которые чрезвычайно чувствительны к ограничениям по весу и упаковке, таких как роботы-гуманоиды и дроны. Соответствующая исследовательская статья опубликована в журнале «АСУ Нано», также в статье раскрыты более подробные технические подробности.