Tout comme Boucle d'or et sa bouillie proverbiale, les batteries lithium-ion (LIB) fonctionnent mieux lorsque la plage de température est juste, c'est-à-dire ni trop chaud ni trop froid. Mais c'est un énorme facteur limitant lorsqu'il s'agit d'utiliser des LIB dans des véhicules électriques (VE) dans de nombreux endroits où les températures varient considérablement. Les LIB fonctionnent mal dans des conditions de chaleur ou de froid extrêmes, et il s'agit d'un obstacle empêchant une transition vers une utilisation plus large des véhicules électriques. Comme le notent les auteurs de l'étude qui suit, "sur les 51 aires métropolitaines des États-Unis, 20 régions connaissent normalement des jours de froid extrême en dessous de –18 °C (0 °F) tandis que les températures estivales dans 11 régions (y compris les chevauchements avec les 20 premières) dépassent régulièrement 38 °C (100 °F). grandes agglomérations du monde, et représentent également un obstacle à l'adoption des véhicules électriques en tant que solution potentielle de transport d'énergie renouvelable.

Dans un article récent publié dans Énergie naturelle cependant, un groupe de chercheurs de l'UC Berkeley rapporte une nouvelle invention qui promet d'atténuer efficacement les effets des extrêmes thermiques lorsqu'elle est utilisée avec les LIB. Leur papier, intitulé "Gestion thermique efficace des batteries Li-ion avec un régulateur thermique passif interfacial basé sur un alliage à mémoire de forme, " détaille le paysage opérationnel contemporain des LIB par rapport aux variations de température ambiante dans divers lieux, mais aussi en ce qui concerne d'autres facteurs de confusion, tels que les nouvelles batteries à charge et décharge rapides, ce qui complique encore les stratégies de gestion de la chaleur. Ils notent que les composants thermiques linéaires traditionnels ne parviennent généralement pas à gérer les deux extrêmes de chaud et de froid, et d'autres solutions potentielles, tels que les boucles fluides contrôlées, ne fournissent pas un contraste ON/OFF assez élevé, sans parler des considérations de coût et de poids lorsqu'il est utilisé avec des véhicules électriques. Leur solution est « un sans fluide, régulateur thermique passif qui stabilise la température de la batterie dans les environnements extrêmes chauds et froids. Sans aucune alimentation ni logique, le régulateur thermique commute sa conductance thermique en fonction de la température locale de la batterie et délivre la fonctionnalité thermique souhaitée, retenant la chaleur quand il fait froid et facilitant le refroidissement quand il fait chaud."

Pour obtenir cet effet, leur conception de régulateur thermique passif s'appuie sur deux caractéristiques non linéaires clés des concepts de régulateurs thermiques existants. La première de ces caractéristiques, changement de phase à l'état solide, présente une bonne brusquerie en réponse au changement de température, mais ne parvient pas à atteindre un rapport de commutation (SR) suffisamment élevé, c'est-à-dire le rapport de conductance thermique à l'état ON/OFF, qui est la principale mesure de performance pour les régulateurs thermiques. La deuxième caractéristique, l'ouverture et la fermeture d'une interface thermique, a un SR beaucoup plus élevé mais repose sur la dilatation thermique différentielle entre deux matériaux. Lorsque l'espace d'interface entre les matériaux est fermé, il présente une forte conductance thermique non linéaire. Cependant, car l'effet de dilatation thermique est ici relativement faible, cette conception nécessite un corps de régulateur thermique trop grand pour accomplir l'ouverture et la fermeture de l'espace.

Aussi compliqué que les exemples précédents puissent paraître, leur solution, qui englobe les aspects à la fois du changement de phase à l'état solide et de la conductance de contact thermique interfacial, est remarquablement simple. Pour atteindre leurs objectifs de conception, les auteurs de l'étude s'appuient sur un alliage à mémoire de forme (SMA) à base de Nitinol, un fil souple en alliage nickel/titatnium qui est acheminé sur le pourtour d'une plaque supérieure de régulation thermique, sur lequel siègent les LIB. Les extrémités du fil SMA, un correspondant à chaque coin du régulateur thermique, connecter avec une plaque de dissipation de chaleur inférieure, connu sous le nom de matériau d'interface thermique (TIM). Les plateaux supérieur et inférieur sont maintenus en opposition par un jeu de quatre ressorts de rappel, qui créent un espace d'air de 0,5 mm entre les plaques supérieure et inférieure et maintiennent également le fil SMA dans un état de tension. Ceci définit l'état OFF de l'isolation thermique.

Au fur et à mesure que la batterie chauffe, la SMA, en raison d'une transformation de phase en cours, commence à se contracter et à rapprocher les deux plaques. La conductance thermique est très faible jusqu'à ce que les deux plaques se touchent, à quel point la force du fil de contraction est supérieure à la force opposée du ressort de sollicitation, et la plaque TIM (en bas) entre en contact avec la plaque du régulateur thermique qui maintient les batteries (en haut), et commence à dissiper la chaleur; cette situation définit l'état ON. Le modèle prototypique décrit ici résume l'essence du régulateur thermique interfacial passif.

Pour valider les fondamentaux de ce concept en ce qui concerne le fil SMA et les ressorts de polarisation, les auteurs de l'étude ont construit un modèle et l'ont testé dans une chambre à vide, en utilisant deux barres en acier inoxydable thermocouplées comme source de chaleur et un dissipateur de chaleur - celles-ci correspondant aux plaques supérieure et inférieure ici, respectivement. Dans l'expérience, l'isolation thermique à l'état OFF s'est avérée excellente, comme le confirment la très grande discontinuité de température à l'interface et les faibles gradients de température mesurés dans chacun des barreaux en acier inoxydable. Cependant, lorsque la température de la barre supérieure a dépassé la température de transition SMA, l'écart s'est refermé et le TIM (la barre inférieure) a commencé à chauffer considérablement. Les auteurs notent que le processus de changement ici s'est produit rapidement, en 10 secondes environ, et qu'un record SR a été atteint à 2, 070:1. Ils soulignent que les fils Nitinol SMA devaient d'abord être pré-conditionnés sous des charges de contrainte plus élevées avant de pouvoir compter sur eux pour produire un stable, réponse reproductible sur de nombreux cycles.

Une fois la preuve de concept établie, les chercheurs ont ensuite démontré le concept dans la pratique avec deux LIB Panasonic 18650PF pris en sandwich entre des plaques d'aluminium, testé en chambre climatique. La conception ici a utilisé une conception de régulateur thermique similaire modifiée pour s'adapter aux dimensions des piles dans leur support, ce qui nécessitait des longueurs de fil SMA plus longues et un écart d'environ 1 mm entre les plaques supérieure et inférieure. Aussi, pour atteindre un haut niveau de performance, il était crucial d'isoler les chemins thermiques parallèles des fils et des ressorts et les LIBs eux-mêmes avec une couverture d'aérogel. Pour comparer les performances, les chercheurs ont également fourni deux modèles linéaires standard, "toujours OFF" et "toujours ON, " qui impliquait de remplacer le SMA par des fils en acier inoxydable configurés pour un écart constant ou un contact constant entre les deux plaques, respectivement.

Dans des conditions expérimentales allant de –20° C ( –4° F; très froid) à 45° C (114° F; très chaud), le régulateur thermique a bien fonctionné, s'échauffant rapidement de –20° C ( –4° F) à environ 20° C (68° F) en raison de la chaleur de la batterie retenue par l'entrefer et augmentant le facteur utile de la batterie par un facteur de trois. A l'extrême opposé, le régulateur thermique a également fonctionné admirablement, passant à l'état ON à environ 45°C (113°F), après quoi l'élévation de température dans les LIBs a été limitée à 5°C (9°F). Après avoir testé cette configuration de régulateur thermique à travers 1, 000 cycles ON/OFF, les enquêteurs ont constaté que les performances à l'état OFF n'étaient que légèrement dégradées (une réduction de 8,5% de la capacité de la batterie à -20° C [-4° F]) alors que les performances à l'état ON restaient inchangées.

Comme le notent les auteurs de l'étude, les coûts de leur régulateur thermique sont minimes lorsqu'ils sont utilisés avec l'approche standard de gestion thermique "toujours ON", qui inclurait déjà un dissipateur thermique TIM. La masse supplémentaire des ressorts SMA et de polarisation est inférieure à un gramme, et le coût du fil Nitinol est d'environ 6 $. "La démonstration avec un module de batterie composé de cellules lithium-ion 18650 commerciales montre que ce régulateur thermique augmente la capacité par temps froid de plus de trois fois simplement en conservant la chaleur autogénérée de la batterie... tout en empêchant le module de surchauffer par temps chaud environnements même à taux de décharge 2C élevé, " concluent les chercheurs.

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