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加州大学研发出新热调节器,保护手机电池不受极端温度的影响

来源:材料科技在线|

发表时间:2018-11-09

点击:8097

图片来自:加州大学 郝梦龙(Menglong Hao)


这是加州大学伯克利分校工程师设计的热调节器的原理图和照片,其目的是被动地将锂离子电池保持在最佳温度范围内。在较高的温度下,形状记忆合金制成的金属线把电池压在散热器附近,这样能散出多余的热量。在较低的温度下,金属线松开,由此产生的空气间隙有助于保留电池的热量。


加州大学伯克利分校的工程师们的新研究可能会提高由电池驱动的车辆及其他设备在极端温度环境中的实用性,比如在明尼苏达州寒冷的冬天,或是死 亡谷闷热的夏天使用这些电池驱动产品。锂离子电池的最佳性能和基本安全的温度通常是20到40摄氏度,这些极端的温度环境远远超出锂离子电池的安全工作温度范围。


加州大学伯克利分校机械工程系教授兼研究团队负责人克里斯•达姆斯(Chris Dames)表示:“在旧金山湾温和的气候条件下,锂离子电池的最佳工作温度问题可能表现的并不严重,但是在纽约或者塔霍湖的冬天里,智能手机因为温度过低而自动关机的现象是十分常见的。”他在发表于《自然能源》“Nature Energy”杂志的一项研究成果中提出了一种可以解决这个问题的新型热调节器


研究人员解释说,电池的可用能量在寒冷的温度下会急剧下降。典型的商用锂离子电池在零下20摄氏度时只能提供室温下20%的电量。


高温也会给电池带来严重的影响,电池在高温下使用时会产生大量的废热。电池寿命通常在温度每升高13摄氏度后减为原来的一半


该研究的主要作者、达姆斯的实验室成员博士后研究员郝梦龙介绍说:“温度过高会导致更为严重的“热失控”,这种失效模式会引起电动汽车电池起huozai,以及某些手机和电子产品的自 燃 自 爆,这些现象在新闻报道中屡见不鲜。”


妥善解决这些相互冲突的温度需求一直是热封装的一项挑战。人们为了将电池的温度保持在合适的范围之内,开发出许多种技术方案,但是这些方案要么因为消耗能量导致成本太昂贵,要么就是体积庞大而不能嵌套在便携式应用装置里。加州大学伯克利分校工程师开发的新型热调节器具有鲜明的特点:可以通过一个不消耗额外能量的被动系统将电池温度稳定在合理的范围内


达姆斯表示:“主动加热和冷却会耗费额外的能量,特别是当你计划用电池驱动车子再行驶50英里的时候,就考虑到最好能够保留尽可能多的电量,而不想为了维持电池的合适温度而浪费能量。”


他们的被动系统使用形状记忆合金,这种材料在低温下是柔软的,具有良好的延展性,但在较高温度下会硬化变回原始形状。这些材料是可以通过商业渠道采购到的,他们也是医疗植入物中最常用的一种材料。


记忆合金发生软硬变化时的温度点取决于金属的组分比例。研究人员在该原理的指导下,选择了会在35摄氏度出现软硬过渡的镍和钛合金线。温度低于该阈值时,金属线软化,但温度超过35摄氏度后,金属线会变硬和收缩。


他们的工程师们将金属线连接在锂离子电池组上,并于散热器绑定在一起。在温度较高的时候维持“开”的状态,收缩的金属线会将电池拉紧,使电池与散热器紧密接触,以便及时散热将电池冷却下来。在低于35摄氏度的时候,软化的金属线线处于“关闭”状态,电池组借助压缩弹簧可以从散热器上抬起稍许。由此产生的空气间隙充当了热绝缘层,通过减缓电池的散热效率来帮助维持自身较高的温度。


研究小组的成员分别在真空和真实条件下测试了热调节器的工作性能,最终确认他们的调节系统可以在高温和低温交替的时候产生正确的响应,能够轻松移动电池组


他们还在零下20摄氏度的寒冷环境温度下做了大量实验,证明这种热调节器可以通过保留电池自身产生的热量将电池温度提高到20摄氏度。同时,45摄氏度的高温环境下的实验数据表明,热调节器通过稳定的散热将电池的温度上升限制在6度以内,从而有效防止电池过热。


郝梦龙说:“调节器的一切活动都是被动完成的,系统中没有任何传感器、逻辑电路,更不存在消耗电力的问题。该系统还有另一个突出优点,那就是形状记忆合金价格便宜,只占电池模块总成本的1%,所以这是一个成本低廉的系统。”


卡内基梅隆大学教授乔纳森•马伦(Jonathan Malen)和文卡特•维斯瓦纳坦(Venkat Viswanathan)在《自然能源》“Nature Energy”杂志上发表评论说,加州大学伯克利分校开发的热敏开关除了应用在电池领域以外,还可以用来改进对温度波动敏感的其他技术,最基本和常见的技术领域包括燃料电池,传感器和激光器等。


加州大学伯克利分校的研究人员表示,他们的热调节系统可能对广泛应用的可再生技术产生重大影响。锂离子电池为电动汽车、无人驾驶飞机、笔记本电脑、智能手机等一系列消费品提供能源。锂离子电池还通过为可再生能源存储单元供电,稳定电网以防止波动,这在太阳能和风力发电方面发挥着关键作用。


论文的作者指出,在美国人口超过100万的51个大城市中,有20个地区的气温通常低于零度,11个地区的夏季气温通常高于华氏100度。


达姆斯表示:“我们想出了一种简单的设计方案,发明了一种新型热调节器。采用这种调节器的电池组既可以在塔霍湖寒冷的1月份上工作,也可以在死 亡谷炎热的8月份工作。同时这个热调节器系统也是种新型的热开关系统,将来可能会有更加广泛的应用。”


文章来自phys.org,原文题目为Thermal 'earmuffs' protect cell phone batteries from extreme temperatures,由材料科技在线汇总整理。



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