De nouvelles recherches menées par les ingénieurs de Berkeley pourraient bientôt rendre plus pratique l'utilisation de véhicules et d'appareils alimentés par batterie à des températures extrêmes, comme lors des hivers glacials du Minnesota ou des étés étouffants dans la Vallée de la Mort. Ces conditions représentent des plages de température qui se situent en dehors de la fenêtre étroite (généralement de 20 à 40 degrés Celsius) nécessaire pour les performances optimales et sûres d'une batterie lithium-ion.

"La plage de température optimale pour les batteries lithium-ion peut ne pas être un problème sérieux dans le climat doux de la région de la baie de San Francisco, mais en plein hiver à New York ou Lake Tahoe, il n'est pas rare que les smartphones s'éteignent automatiquement car il fait trop froid, " a déclaré Chris Dames, un professeur de génie mécanique à l'UC Berkeley et chef de l'équipe de recherche qui a développé un nouveau régulateur thermique, décrit dans une étude publiée dans la revue Énergie naturelle - qui pourrait résoudre ce problème.

Les chercheurs ont expliqué que l'énergie utilisable d'une batterie chute considérablement par temps froid. À moins 20 degrés Celsius, une cellule de batterie lithium-ion commerciale typique ne peut fournir que 20 % de sa capacité à température ambiante.

Les températures élevées peuvent également créer des problèmes pour les batteries, qui génèrent leur propre chaleur perdue lors de leur utilisation. La durée de vie des batteries est généralement réduite de moitié pour chaque 13 degrés Celsius de température excessive.

"Ce qui est pire, c'est que la surchauffe peut conduire à" un emballement thermique, ' un mode de défaillance qui peut entraîner des incendies de batterie dans les voitures électriques ainsi que certains téléphones portables et appareils électroniques dont nous avons entendu parler dans les actualités, " a déclaré l'auteur principal de l'étude Menglong Hao, un chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Dames.

La gestion des besoins de température contradictoires a été un défi pour les emballages thermiques. Les méthodes actuelles qui maintiennent les batteries à leurs températures préférées consomment de l'énergie et sont trop coûteuses ou encombrantes pour être incluses dans de nombreuses applications portables. En revanche, le nouveau régulateur thermique développé par les ingénieurs d'UC Berkeley maintient les batteries à des températures stables grâce à un système passif qui ne consomme pas d'énergie supplémentaire.

« Énergie active de coût de chauffage et de refroidissement, l'énergie que vous ne voulez pas dépenser pour garder la batterie confortable alors que vous auriez pu l'utiliser pour parcourir encore 80 km, " dit Dames.

Le système passif utilise un alliage à mémoire de forme, une classe de matériau qui est caractéristiquement doux et pliable à basse température, mais durcit à sa forme d'origine à des températures plus élevées. De tels matériaux sont disponibles dans le commerce et couramment utilisés dans les implants médicaux.

La température exacte de la transition de doux à dur dépend du mélange des métaux. Dans ce cas, les chercheurs ont choisi des fils en alliage de nickel et de titane qui ont subi une transition à 35 degrés Celsius. En dessous de ce seuil, les fils se sont ramollis, mais au-dessus de 35 degrés Celsius, les fils se raidirent et se contractèrent.

Les chercheurs ont attaché les fils à une batterie lithium-ion de telle sorte que la position "marche" soit aux températures les plus élevées, avec les fils raidis tirant les batteries étroitement en contact avec un dissipateur de chaleur conçu pour refroidir les batteries. À des températures inférieures à 35 degrés Celsius, les fils ramollis étaient en position "off", permettant à la batterie de se soulever du dissipateur thermique à l'aide de ressorts comprimés. L'entrefer résultant a fourni une isolation qui a aidé à garder les batteries au chaud en ralentissant la dissipation de leur propre chaleur résiduelle.

Les chercheurs ont testé le régulateur thermique dans des conditions de vide et du monde réel pour confirmer que leur système pouvait facilement passer du chaud au froid.

À une température ambiante froide de moins 20 degrés Celsius, ils ont démontré que leur régulateur thermique pouvait augmenter la température de la batterie à 20 degrés Celsius simplement en retenant la chaleur autogénérée de la batterie. À la fois, à une température ambiante chaude de 45 degrés Celsius, le régulateur thermique a empêché les batteries de surchauffer en limitant l'élévation de température à environ 6 degrés grâce à une dissipation thermique constante.

« Tout cela a été accompli passivement, sans aucun capteur, logique ou consommation électrique, " a déclaré Hao. " Un autre avantage est que les fils en alliage à mémoire de forme sont bon marché, ne fonctionnant qu'à 1% du coût total de la batterie, c'est donc un système rentable."

Dans un commentaire publié dans Énergie naturelle , Les professeurs de l'Université Carnegie Mellon, Jonathan Malen et Venkat Viswanathan, ont déclaré que le commutateur thermique développé à l'UC Berkeley pourrait améliorer les technologies autres que les batteries qui sont sensibles aux fluctuations de température. Il s'agit notamment des piles à combustible, capteurs et lasers.

Les chercheurs de l'UC Berkeley ont déclaré que leur système de régulation thermique pourrait avoir des implications majeures pour une adoption plus large des technologies renouvelables. Les batteries lithium-ion alimentent une multitude de produits de consommation allant des voitures électriques aux drones en passant par les ordinateurs portables et les smartphones. Les batteries jouent également un rôle clé dans la stabilisation du réseau électrique contre les fluctuations de la production solaire et éolienne en alimentant des unités de stockage d'énergie renouvelable.

Les auteurs de l'étude ont noté que sur les 51 régions métropolitaines des États-Unis comptant plus d'un million d'habitants, 20 connaissent généralement des températures inférieures à zéro degré Fahrenheit, et 11 régions ont des températures estivales qui s'élèvent régulièrement au-dessus de 100 degrés Fahrenheit.

« En inventant un nouveau type de régulateur thermique, nous avons proposé une conception unique qui peut fonctionner à la fois pour Lake Tahoe en janvier et Death Valley en août, " dit Dames.