Новые саморегулирующиеся батареи отключаются при перегреве – Yale Scientific Magazine

Батареи можно найти во всем, от сотовых телефонов до автомобилей, незаметно питая нашу повседневную жизнь. В связи с растущим спросом на поиск более возобновляемых источников энергии батареи обладают огромным потенциалом, позволяющим делать еще больше — например, хранить избыточную энергию от солнечных батарей и ветряных турбин, чтобы высвобождать ее, когда спрос высок, или использовать в качестве топлива эффективные и легко перезаряжаемые электрические батареи. транспортные средства. Тем не менее, новостные сообщения и отзывы о потребительских товарах выявили потенциальную опасность, скрытую за бесшумной внешностью этих батарей: перегрев ноутбуков, возгорание транспортных средств и взрывы ховербордов под ногами людей. Основным виновником этих опасностей является накопление тепла в ионно-литиевых батареях, которые имеют высокую плотность энергии, реактивны по своей природе и легко замыкаются накоротко. Если температура батареи превышает примерно 150 градусов Цельсия, она может загореться и вызвать взрыв.

Ранее в январе Чжэн Чен, Йи Цуй и Чжэнань Бао из Стэнфорда опубликовали свою работу о новой технологии для решения этой проблемы в литий-ионных батареях. Используя полимерный материал, содержащий наночастицы никеля с шипами на поверхности, они изобрели саморегулирующуюся пленку, которая может отключать батареи в случае перегрева или короткого замыкания. «Наше вдохновение [было] в том, чтобы решить общие вопросы безопасности, связанные с батареями», — сказал Чен, ведущий автор статьи. «Это могут быть небольшие или крупные батареи разных форматов; все они связаны с вопросами безопасности».

Схема типичной литий-ионной батареи, состоящей из анода, сепаратора, катода и электролита. Когда батарея перегревается, сепаратор повреждается, вызывая внутреннее короткое замыкание.

Чтобы понять механизм работы этих саморегулирующихся аккумуляторов, необходимо иметь общее представление об опасностях традиционных ионно-литиевых аккумуляторов. Почему именно литий-ионные батареи загораются? Несмотря на свою репутацию, стандартные литиевые батареи по большей части надежны. Они широко используются из-за их высокой энергии, плотности мощности и надежности, но они также могут быть опасны, если батареи повреждены. В исправном аккумуляторе ионы лития перетекают по уравновешенному контуру от оксидного катода в раствор электролита солей лития и органических растворителей, затем к угольному аноду. Однако повреждение тонких барьеров, разделяющих катод и анод, может вызвать внутреннее короткое замыкание. При коротком замыкании, перезарядке или ином неправильном использовании батареи могут достигать опасно высоких температур, что приводит к «тепловому разгону» — серии химических реакций, которые повышают внутреннюю температуру и давление до тех пор, пока батарея не загорится.

Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали систему для снижения проводимости электродов при высоких температурах. В предыдущем проекте профессор Бао создал устройство, отслеживающее температуру тела, поэтому команда изготовила аналогичный материал для батарей.

Однако они столкнулись с новыми трудностями, поскольку пленка батареи быстро разрушалась под воздействием химических веществ внутри батарей. Чтобы предотвратить деградацию, команда покрыла частицы никеля проводящим графеном, тонким слоем атомов углерода. «Никель обеспечивает композиту электропроводность, слой графенового покрытия на поверхности никеля обеспечивает им электрохимическую стабильность, а полиэтилен является матрицей для удержания таких частиц и может расширяться и сжиматься в зависимости от повышения или понижения температуры», — сказал Чен.

Крупный план слоя графена на частицах никеля. Графеновая «кожа» имеет толщину всего 5-10 нм, но играет важную роль в стабилизации частиц. Изображение предоставлено Чжэн Ченом.

При прикреплении к электродам батареи частицы в пленке проводят электричество. Но когда аккумулятор нагревается выше определенной температуры, тепловое расширение заставляет пластик растягиваться. В результате частицы в пленке расходятся, прерывая электрический ток и отключая батарею. Этот процесс происходит удивительно быстро, при этом проводимость падает в 107-108 раз всего за секунду. После того, как пленка остывает, сопротивление уменьшается, и пленка расслабляется, что позволяет продолжить поток электронов. Следовательно, тепловое переключение аккумуляторов происходит быстро и обратимо.

Это не первый проект, направленный на устранение опасности перегрева аккумуляторов. В более ранней конструкции Цуй создал литий-ионную батарею с «системой раннего предупреждения» для обнаружения ненормальных условий работы. Цуй и его коллеги решили построить «умный сепаратор» меди между анодом и катодом батареи. Определяя разницу напряжений между анодом и катодом, медь может распознавать ненормальные условия, чтобы определить, когда следует извлечь батарею, чтобы предотвратить короткое замыкание. В другом месте, в Университете Род-Айленда, Рональд Данн экспериментировал с добавлением антипиренов в литий-ионные батареи.

Чем же отличается этот новый дизайн? В предыдущих конструкциях безопасных аккумуляторов механизмы отключения перегревшихся аккумуляторов были необратимыми; батареи нельзя было использовать после перегрева. Обратимость теплового переключения действительно новаторская. Когда исследователи неоднократно нагревали свою батарею с помощью термофена, пленка была очень устойчива к высоким температурам и все еще надежно проводила ток после двадцати циклов включения и выключения.

Можно ли со временем использовать эту полиэтиленовую пленку в больших масштабах? Так думает Чен. «И компоненты, и производственный процесс имеют низкую стоимость, поэтому мы не думаем, что возникнут проблемы с масштабированием», — пояснил Чен. До тех пор он и другие исследователи надеются продолжить свои исследования по дальнейшему совершенствованию батарей, уменьшению общей толщины композитной пленки и увеличению ее проводимости при комнатной температуре. «Нам все еще нужно улучшить дизайн и обработку наших материалов», — сказал Чен.

Если бы в батареях использовался саморегулирующийся термоселективный материал, он потенциально мог бы поддерживать хорошие рабочие характеристики батареи при нормальных температурах, но, что более важно, он мог бы обеспечить многоразовый предохранительный механизм для отключения при высоких температурах. Эта новая технология может снизить риски, связанные с нашими смартфонами, ноутбуками и электромобилями. И, возможно, даже ховерборды вернутся в кампус Йельского университета.

Как сохранить батареи теплыми в холода

Литий-ионные батареи, включая батареи LiFePO4, имеют ограниченный температурный диапазон, в котором они могут работать безопасно и эффективно. Низкие температуры могут привести к снижению производительности и емкости аккумулятора, а также увеличить риск повреждения или выхода из строя. Как правило, оптимальный диапазон рабочих температур для литий-ионных аккумуляторов составляет примерно от 0 до 45 градусов Цельсия.

Когда литий-ионный аккумулятор заряжается при низких температурах, электролит внутри аккумулятора становится более вязким, а химические реакции внутри аккумулятора замедляются, что может привести к перезарядке и потенциально опасному тепловому выходу из строя. Зарядка аккумулятора LiFePO4 при температуре ниже 0°C может привести к повреждению аккумулятора, снижению его емкости и срока службы.

Производительность литий-ионного аккумулятора зависит от температуры. Различные типы элементов имеют разные диапазоны температур для зарядки и разрядки. Диапазоны заряда более узкие и требуют более строгого контроля температуры, чем диапазоны разрядки.

Температура также влияет на зарядный ток: чем ниже температура, тем меньше зарядный ток и больше время зарядки. Температура также влияет на доступную емкость аккумулятора, вызывая уменьшение емкости при понижении температуры. Это снижение может достигать более 35% в диапазоне температур, разрешенном производителем, а некоторые технологии могут привести к снижению более чем на 50% в этом диапазоне.

Эксплуатация батареи при слишком низкой или слишком высокой температуре приведет к более быстрому износу и снижению производительности. Рекомендуется эксплуатировать аккумуляторы в условиях, близких к 20-25°C по возможности. Чтобы помочь смягчить эти проблемы, пассивные или активные системы кондиционирования могут быть интегрированы с батареями для регулирования их температуры.

Эти системы могут обеспечивать обогрев, охлаждение или и то, и другое, и могут использовать различные методы, такие как подогрев или охлаждение воздуха, вентиляция окружающим воздухом или жидкостное отопление и охлаждение. Помимо защиты аккумуляторов от перегрева или переохлаждения, эти системы направлены на поддержание постоянной температуры во всем аккумуляторном блоке. Это важно, поскольку элементы, работающие при разных температурах, имеют разные рабочие характеристики, и эта разница может привести к более быстрому износу и снижению функциональности аккумуляторной батареи.

Как защитить аккумуляторы от холода?

Существует несколько различных способов защиты аккумуляторов от холода, начиная от простых пассивных решений и заканчивая сложными активными решениями, для которых требуются нагревательные элементы и микроконтроллеры: специальное одеяло батареи, помогает снизить теплопотери и поддерживать стабильную температуру. Этот тип изоляции создает барьер вокруг батареи, улавливая тепло и предотвращая его утечку в окружающую среду.

Одеяла для аккумуляторов: Одеяла для аккумуляторов представляют собой специально разработанные чехлы из изоляционного материала, которые плотно прилегают к аккумулятору. Они помогают поддерживать постоянную температуру батареи, сохраняя ее теплой и снижая риск выхода из строя. Одеяла для батарей бывают разных размеров и форм, чтобы соответствовать разным типам батарей, они прочны, гибки и просты в установке.

Корпус с подогревом: Размещение батареи в корпусе с подогревом, который поддерживается в тепле с помощью нагревательных элементов или других средств, может помочь защитить ее от холода. Корпус действует как барьер против холода, удерживая тепло и поддерживая стабильную температуру для батареи. Обогреваемые шкафы могут питаться от электричества или других источников энергии и доступны в различных размерах и формах для различных типов батарей.

Поддержание заряда: Поддержание достаточного заряда аккумулятора перед воздействием низких температур может снизить риск чрезмерного разряда, который может привести к повреждению и сокращению срока службы аккумулятора. Поддерживая соответствующий уровень заряда, аккумулятор лучше выдерживает низкие температуры и продолжает обеспечивать надежную работу.

Избегайте перегрузки: Перегрузка батареи в холодных условиях может снизить ее производительность и увеличить риск выхода из строя. Предотвращение перегрузки за счет непревышения максимальной емкости или номинального напряжения аккумулятора может помочь защитить его от холода и обеспечить его надежную работу.

Какой самый простой способ согреть батареи?

Изоляция — это эффективный и простой способ поддержания стабильной температуры аккумуляторов, особенно в условиях низких температур. Изоляция помогает уменьшить потери тепла от батареи и сохраняет ее теплой. Это можно сделать несколькими способами, например, обернув батарею изоляционным материалом, таким как пена или специально разработанное одеяло для батареи, или поместив батарею в изолированный корпус.

Одеяло батареи — это специально разработанное изолирующее покрытие, которое надежно надевается на батарею. Это помогает поддерживать постоянную температуру и защищает аккумулятор от резких перепадов температуры.

Покрытие батареи изготовлено из изоляционного материала, который действует как барьер между батареей и окружающей средой, предотвращая передачу тепла. Это помогает поддерживать оптимальную температуру батареи, что продлевает срок ее службы и повышает производительность. Используя одеяло для батареи, вы можете гарантировать, что ваша батарея останется теплой и защищенной даже в суровых погодных условиях.

[[ aff type=aff ~ link=https://batteryhookup.com/discount/CS5?redirect=/collections/accessories/products/24-48v-150w-battery-heating-pad-hi-heat-made- in-usa ~ title=`24/48v 150w Battery Грелка` ~ image=https://admin.cellsaviors.com/storage/24-48v-battery-heating-pad.jpeg ~ description=`Обычно они очень дорогие но здесь вы можете получить их за 6 долларов. Все они были сняты с рабочих аккумуляторов, которые в них не нуждались, и находятся в рабочем состоянии. ` ~ height=small ~ buttonText=`Проверьте!`  ]]

Как собрать систему стабилизации температуры батареи

Добавить нагревательный элемент, встроенный в батарею или ее корпус, проще, чем вы думаете. Это позволяет более точно контролировать температуру, так как нагревательный элемент находится в непосредственном контакте с батареей. Нагревательным элементом можно управлять с помощью микроконтроллера, такого как Arduino. Arduino можно запрограммировать на мониторинг температуры батареи с помощью датчиков температуры и соответствующую регулировку нагревательного элемента для поддержания постоянной рабочей температуры.

Обзор управления нагревательным элементом с помощью Arduino при мониторинге датчиков температуры будет включать следующие шаги:

• Подключите датчик температуры (например, термистор) к Arduino .
• Подключите нагревательный элемент к Arduino, обычно через MOSFET или реле .
• Написать программу для Arduino, чтобы считал датчик температуры и сравните с заданной температурой .
• Если температура ниже уставки , программа включает нагревательный элемент для повышения температуры.
• Если температура выше уставки , программа отключает нагревательный элемент для поддержания температуры.
• Непрерывно повторяйте шаги с 3 по 5 в цикле для контроля и поддержания температуры .

То же самое можно сделать и без нагревательного элемента, но он обеспечит лишь ограниченную защиту от холода. Это пассивное решение основано на тепле, выделяемом батареей, когда она находится под нагрузкой. Вы можете использовать Arduino, датчик температуры и небольшой двигатель для регулирования температуры батареи, открывая и закрывая вентиляционное отверстие:

• Подключите датчик температуры к Arduino и откалибруйте его, чтобы считать температура аккумулятора.
• Установите целевую температуру для батареи в коде Arduino.
• В коде используйте контур управления для непрерывного контроля температуры батареи.
• Если температура превышает целевую температуру , активируйте небольшой двигатель . – откройте вентиляционную заслонку и дайте теплу выйти.
• Если температура падает ниже целевой температуры , деактивируйте двигатель до закрыть вентиляционную заслонку и удерживать тепло внутри батареи.
• Непрерывно повторяйте цикл контроля и управления до поддержания заданной рабочей температуры .

Чтобы такая установка работала, необходимо, чтобы батарейный отсек был сконструирован таким образом, чтобы он не обеспечивал абсолютно никакой вентиляции батареи, давая системе возможность накапливать тепло. Система вентиляции должна быть спроектирована так, чтобы эффективно регулировать тепло, просто открывая канал для прохождения воздуха.

Подобная система позволит вам регулировать температуру батареи, управляя вентиляцией, и обеспечивать работу батареи в безопасном температурном диапазоне. В подобную систему можно было бы внести несколько простых модификаций, таких как добавление вентилятора, что значительно упростило бы конструкцию, поскольку можно было бы полагаться на вентилятор для эффективного отвода избыточного тока.

Заключение

Литий-ионные аккумуляторы имеют определенный диапазон рабочих температур для оптимальной работы. Зарядка аккумулятора в слишком холодную погоду может повредить аккумулятор из-за сложных взаимодействий, происходящих в химических элементах ниже определенного температурного порога.

Существует несколько методов поддержания аккумуляторов в тепле, включая изоляцию, одеяла для аккумуляторов, обогреваемые кожухи, поддержание заряда и предотвращение перегрузки. Наиболее эффективным способом поддержания температуры батарей было бы создание системы стабилизации температуры батареи путем интеграции нагревательного элемента в батарею или ее корпус и управления им с помощью микроконтроллера, такого как Arduino.