Перегрев - одна из главных проблем литий-ионных батарей. Именно температура во многом определяет их срок службы, безопасность и эффективность. Исследователи предложили необычное решение: материал, который охлаждает аккумуляторы почти так же, как кожа млекопитающих охлаждает тело через потоотделение.
Новая технология представляет собой специальную мембрану, которая оборачивает батарею и регулирует её температуру за счёт испарения влаги. Такой подход позволяет охлаждать аккумуляторы без вентиляторов, насосов и дополнительного энергопотребления.
Почему батареям вообще нужно охлаждение
Литий-ионные аккумуляторы считаются довольно эффективными: во время работы в тепло уходит менее 10 % энергии. Но даже этого достаточно, чтобы при высокой нагрузке температура начала расти.
Если тепло не отводить, возникают сразу несколько проблем:
ускоряется деградация батареи;
снижается срок службы;
в критических случаях может начаться так называемый тепловой разгон: цепная реакция, приводящая к пожару или взрыву.
Поэтому практически любое устройство с такими батареями оснащается системой терморегуляции. Обычно используются вентиляторы, радиаторы, жидкостное охлаждение или фазовые материалы. Однако такие решения требуют места, усложняют конструкцию и часто потребляют дополнительную энергию.
Как работает потеющая мембрана
Инженеры решили обратиться к механизму, который миллионы лет совершенствовался природой: к охлаждению через испарение пота.
Они разработали гибкую мембрану, которая оборачивает аккумулятор подобно коже. При нагреве она начинает выделять влагу, а её испарение уносит тепло.
Когда батарея остывает, мембрана снова впитывает влагу из окружающего воздуха и перезаряжается для следующего цикла охлаждения.
Фактически система работает по принципу:
батарея нагревается;
вода в мембране испаряется;
испарение забирает тепло;
после охлаждения материал снова поглощает влагу из воздуха.
Такой процесс называется десорбционным охлаждением.
Из чего состоит материал
Мембрана представляет собой многослойный композит, в котором каждая часть выполняет свою функцию:
хлорид лития (LiCl) - гигроскопичная соль, которая активно поглощает и выделяет воду;
оксид графена - создаёт сеть для эффективного распределения тепла;
активированное углеродное волокно - увеличивает площадь поверхности для испарения;
пористая PTFE-мембрана - удерживает раствор внутри, но пропускает водяной пар;
медная рамка - равномерно распределяет тепло и предотвращает локальные перегревы.
Вместе эти материалы образуют систему, которая автоматически регулирует температуру без внешнего управления.
Насколько эффективно работает охлаждение
Испытания показали довольно впечатляющие результаты.
Мембрана обеспечила:
среднюю мощность охлаждения 802,5 Вт на квадратный метр;
снижение температуры примерно на 34 °C при сильном тепловом потоке;
значительное увеличение срока службы батареи.
В эксперименте с коммерческим аккумулятором 3,7 В и ёмкостью 12 А·ч количество рабочих циклов выросло с 118 до 233. Это почти двукратное увеличение срока службы.
Кроме того, материал показал высокую огнестойкость и смог предотвращать тепловой разгон (один из самых опасных явлений для аккумуляторов).
Главное преимущество - пассивная работа
В отличие от традиционных систем охлаждения, новая мембрана не требует электричества.
Она работает полностью пассивно:
не нужны вентиляторы;
не требуется жидкостный контур;
не расходуется энергия.
Влага автоматически поглощается из воздуха, когда батарея остывает, и снова испаряется при нагреве.
Где такая технология может пригодиться
Исследователи считают, что особенно перспективны устройства, где важны компактность и низкий вес.
В первую очередь это:
дроны;
гуманоидные роботы;
портативная электроника;
автономные устройства с высокой плотностью энергии.
Мембрану можно масштабировать от маленьких батарей в гаджетах до крупных аккумуляторных блоков, например в электромобилях.
Ограничения технологии
Несмотря на перспективность, система лучше всего работает при циклическом нагреве, когда батарея периодически остывает. Это нужно для того, чтобы мембрана успела снова впитать влагу.
При постоянной высокой температуре эффективность охлаждения снижается.
Поэтому технология пока требует дальнейших исследований и оптимизации перед массовым внедрением.
Источник: ACS Axial