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  • Llevando las baterías de iones de litio a nuevos extremos

    Crédito:CC0 Public Domain

    Al igual que Ricitos de Oro y su proverbial papilla, Las baterías de iones de litio (LIB) funcionan mejor cuando el rango de temperatura es el adecuado, es decir, ni demasiado caliente ni demasiado frío. Pero este es un factor limitante enorme cuando se trata de usar LIB en vehículos eléctricos (EV) en muchos lugares donde las temperaturas varían ampliamente. Los LIB funcionan mal en condiciones extremas de calor o frío, y este es un obstáculo que impide una transición hacia un uso más amplio de vehículos eléctricos. Como señalan los autores del estudio a continuación, "de las 51 áreas metropolitanas de Estados Unidos, 20 áreas normalmente experimentan días de frío extremo por debajo de -18 ° C (0 ° F), mientras que las temperaturas de verano en 11 áreas (incluidas las superposiciones con las 20 anteriores) superan habitualmente los 38 ° C (100 ° F) ". Sin duda, existen variaciones de temperatura similares en todo las principales áreas urbanas del mundo, y también representan una barrera para la adopción de los vehículos eléctricos como una posible solución de transporte de energía renovable.

    En un artículo reciente publicado en Energía de la naturaleza sin embargo, un grupo de investigadores de UC Berkeley informa sobre un invento novedoso que promete mitigar eficazmente los efectos de los extremos térmicos cuando se usa con LIB. Su papel titulado "Gestión térmica eficiente de las baterías de iones de litio con un regulador térmico interfacial pasivo basado en una aleación con memoria de forma, "detalla el panorama operativo contemporáneo de los LIB en relación con las variaciones de temperatura ambiente en varios lugares, sino también con respecto a otros factores de confusión, como baterías de carga y descarga rápidas más nuevas, lo que complica aún más las estrategias de gestión del calor. Señalan que los componentes térmicos lineales tradicionales generalmente no logran manejar ambos extremos de calor y frío, y otras posibles soluciones, como circuitos de fluidos controlados, no proporcionan un contraste ON / OFF suficientemente alto, sin mencionar las consideraciones de costo y peso cuando se usa con vehículos eléctricos. Su solución es "un fluido, Regulador térmico pasivo que estabiliza la temperatura de la batería en ambientes extremos fríos y calientes. Sin ninguna fuente de alimentación o lógica, el regulador térmico cambia su conductancia térmica de acuerdo con la temperatura local de la batería y ofrece la funcionalidad térmica deseable, reteniendo el calor cuando hace frío y facilitando el enfriamiento cuando hace calor ".

    Para lograr este efecto, su diseño de regulador térmico pasivo se basa en dos características no lineales clave de los conceptos de reguladores térmicos existentes. La primera de estas características, cambio de fase de estado sólido, presenta una buena brusquedad en respuesta al cambio de temperatura, pero no logra una relación de conmutación (SR) suficientemente alta, es decir, la relación de conductancia térmica en estado ON / OFF, que es la principal métrica de rendimiento de los reguladores térmicos. La segunda característica, la apertura y cierre de una interfaz térmica, tiene un SR mucho más alto pero se basa en la expansión térmica diferencial entre dos materiales. Cuando se cierra el espacio de la interfaz entre los materiales, presenta una fuerte conductancia térmica no lineal. Sin embargo, porque el efecto de expansión térmica es relativamente débil aquí, este diseño requiere un cuerpo de regulador térmico indebidamente grande para lograr la apertura y cierre del espacio.

    Tan complicado como pueden parecer los ejemplos anteriores, su solución, que incorpora aspectos tanto del cambio de fase de estado sólido como de la conductancia de contacto térmico interfacial, es notablemente simple. Para lograr sus objetivos de diseño, los autores del estudio confían en una aleación con memoria de forma (SMA) hecha de Nitinol, un alambre flexible de aleación de níquel / titanio que se coloca alrededor de la periferia de una placa superior del regulador térmico, en el que se sientan los LIB. Los extremos del cable SMA, uno correspondiente a cada esquina del regulador térmico, conectar con una placa de disipación de calor inferior, conocido como material de interfaz térmica (TIM). Las placas superior e inferior se mantienen en oposición mediante un conjunto de cuatro resortes de derivación, que crean un espacio de aire de 0,5 mm entre las placas superior e inferior y también mantienen el cable SMA en un estado de tensión. Esto define el estado APAGADO del aislamiento térmico.

    A medida que la batería se calienta, el SMA, debido a una transformación de fase en proceso, comienza a contraerse y acercar las dos placas. La conductancia térmica es muy baja hasta que las dos placas se tocan, en cuyo punto la fuerza del alambre de contracción es mayor que la fuerza opuesta del resorte de derivación, y la placa TIM (abajo) contacta con la placa del regulador térmico que sostiene las baterías (arriba), y comienza a disipar el calor; esta situación define el estado ON. El modelo prototípico descrito aquí encapsula la esencia del regulador térmico interfacial pasivo.

    Para validar los fundamentos de este concepto con respecto al cable SMA y los resortes de polarización, los autores del estudio construyeron un modelo y lo probaron en una cámara de vacío, utilizando dos barras de acero inoxidable termopar como fuente de calor y un disipador de calor, que corresponden a las placas superior e inferior aquí, respectivamente. En el experimento, el aislamiento térmico en el estado OFF demostró ser excelente, como lo confirma la gran discontinuidad de temperatura en la interfaz y los pequeños gradientes de temperatura medidos en cada una de las barras de acero inoxidable. Sin embargo, cuando la temperatura de la barra superior excedió la temperatura de transición SMA, la brecha se cerró y el TIM (la barra inferior) comenzó a calentarse considerablemente. Los autores señalan que el proceso de cambio aquí ocurrió rápidamente, en unos 10 segundos, y que se logró un récord de SR en 2, 070:1. Señalan que los alambres de Nitinol SMA primero tenían que acondicionarse previamente bajo cargas de tensión más altas antes de poder confiar en ellos para producir un estable, respuesta repetible a través de muchos ciclos.

    Con la prueba de concepto establecida, los investigadores pasaron a demostrar el concepto en la práctica con dos LIBs Panasonic 18650PF intercalados entre placas de aluminio, probado en una cámara ambiental. El diseño aquí utilizó un diseño de regulador térmico similar modificado para adaptarse a las dimensiones de las baterías en su soporte, que requería longitudes de cable SMA más largas y un espacio de alrededor de 1 mm entre las placas superior e inferior. También, para alcanzar un alto nivel de rendimiento, Era crucial aislar las vías térmicas paralelas de los cables y los resortes y los propios LIB con una manta de aerogel. Para comparar el rendimiento, los investigadores también proporcionaron dos modelos lineales estándar, "siempre apagado" y "siempre encendido, "que implicó reemplazar el SMA con alambres de acero inoxidable configurados para un espacio constante o contacto constante entre las dos placas, respectivamente.

    En condiciones experimentales que van desde –20 ° C (–4 ° F; muy frío) a 45 ° C (114 ° F; muy caliente), el regulador térmico funcionó bien, se calienta rápidamente de –20 ° C (–4 ° F) a alrededor de 20 ° C (68 ° F) debido al calor de la batería retenido por el espacio de aire y aumenta el factor de valor de la batería en un factor de tres. En el extremo opuesto, el regulador térmico también funcionó admirablemente, pasando al estado ON a alrededor de 45 ° C (113 ° F), después de lo cual el aumento de temperatura en los LIB se limitó a 5 ° C (9 ° F). Después de probar esta configuración de regulador térmico a través de 1, 000 ciclos ON / OFF, los investigadores encontraron que el rendimiento del estado APAGADO estaba ligeramente degradado (una reducción de la capacidad de la batería del 8.5% a –20 ° C [–4 ° F]) mientras que el rendimiento del estado ENCENDIDO permaneció sin cambios.

    Como señalan los autores del estudio, los costos de su regulador térmico son mínimos cuando se utilizan con el enfoque estándar de gestión térmica "siempre encendido", que ya incluiría un disipador de calor TIM. La masa adicional del SMA y los resortes de polarización es inferior a un gramo, y el costo del alambre de Nitinol es de alrededor de $ 6. "La demostración con un módulo de batería que consta de celdas comerciales de iones de litio 18650 muestra que este regulador térmico aumenta la capacidad en climas fríos en más de tres veces simplemente al retener el calor autogenerado de la batería ... al mismo tiempo que evita que el módulo se sobrecaliente en temperaturas calientes. entornos incluso con una alta tasa de descarga de 2C, "concluyen los investigadores.

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