Эволюция охлаждения. Ученые из Гонконга заставили аккумуляторы «потеть» для защиты от перегрева
Схема аккумулятора, оснащенного мембраной, в фазе охлаждения (Фото: Д-р Sui Zengguang, Городской университет Гонконга)
Литий-ионные аккумуляторы — штука эффективная, во время работы они теряют в виде тепла менее 10% энергии. Но и эти 10% - проблема, потому что без нормального охлаждения батарея быстро «умирает» и теряет емкость.
Для сравнения: человеческое тело в плане энергоэффективности — тот еще аутсайдер, оно генерирует столько тепла, что можно было бы вскипятить сотню чашек чая за день. Однако мы не перегреваемся. Почему? Благодаря коже и умению потеть. Группа исследователей из Городского университета Гонконга решила «одолжить» эту фишку у природы, создав специальную нанокомпозитную мембрану, которая заставляет аккумуляторы «потеть».
Проблема перегрева литий-ионных батарей известна давно. Когда они заряжаются или отдают энергию, часть ее неизбежно превращается в тепло. Если его не отводить, аккумулятор деградирует, а в худшем случае — происходит «тепловой разгон», который часто заканчивается пожаром или даже взрывом.
Поэтому почти в каждом гаджете или электромобиле есть система охлаждения. Инженеры годами придумывали кулеры, радиаторы, жидкостные контуры и специальные материалы. Это работает, но часто занимает кучу места, добавляет веса и требует дополнительной энергии для работы.
Китайские ученые решили пойти другим путем — копировать кожу млекопитающих.
«Мы смотрели, как пот поддерживает стабильную температуру тела даже при серьезных нагрузках. Это эволюционная суперсила. Мы спросили себя: можно ли перенести этот принцип „пот плюс испарение“ на аккумуляторы, причём сделать это просто и технически изящно?» — рассказывает Суй Цзенгуан, один из разработчиков.
Мембрана обволакивает батарею, как вторая кожа. В ее составе: хлорид лития (LiCl), оксид графена, активное углеродное волокно — все это заключено в пористую тефлоновую (PTFE) оболочку на медном каркасе.
- Звучит сложно, но каждый элемент имеет свою миссию:
- Хлорид лития — гигроскопичная соль, которая активно тянет влагу из воздуха.
- Оксид графена работает как сеть для быстрого переноса тепла по всей поверхности мембраны.
- Углеродное волокно создает пористую структуру, чтобы площадь испарения была максимальной.
- Медный каркас равномерно распределяет тепло, чтобы не было «горячих точек».
Тефлон не дает раствору вытекать, но выпускает наружу водяной пар.
Когда батарея греется, вода поглощает это тепло и испаряется. Как только температура падает, мембрана «вдыхает» влагу обратно из воздуха и восстанавливается.
Но главная фишка — это пассивная система. Здесь нет вентиляторов или насосов, которые жрали бы заряд аккумулятора. Все работает на физике испарения.
«Мы хотели сделать что-то компактное, дешевое и рабочее, не требующее питания извне», — говорит доктор Суй.
Конечно, у системы есть нюансы: она лучше всего показывает себя там, где нагрузка на батарею циклическая. Для устройств, греющихся непрерывно 24/7, она подходит меньше, потому что системе надо немного времени, чтобы «остыть» и снова набрать влаги.
