就像金發(fā)姑娘和她的粥一樣，鋰離子電池(LIB)在溫度范圍合適（既溫度不太高也不太低）時性能最好。但這是一個巨大的限制因素，當在電動汽車(EVs)中使用LIB時，很多時候溫度變化都很大。LIB在極端的高溫或低溫下性能不佳，這是其向更廣泛使用的電動汽車推廣的一個障礙。正如這項研究的作者要指出的，“在美國的51個大都市地區(qū)，20個地區(qū)通常冬季經(jīng)歷極端寒冷，室外溫度低于零下18°C(0°F)，而11個地區(qū)(包括之前的20個地區(qū))夏季溫度經(jīng)常超過38°C(100°F)”。全球主要城市地區(qū)也存在著類似的溫度變化，同樣，這也是電動汽車成為一種潛在的可再生能源運輸工具的一個障礙。

然而，在最近發(fā)表在NatureEnergy雜志上的一篇論文中，加州大學伯克利分校的一組研究人員報告了一項新的發(fā)明，該發(fā)明表示當與LIB一起使用時，可以有效地減輕極端溫度的影響。該論文題目是“EfficientthermalmanagementofLi-ionbatterieswithapassiveinterfacialthermalregulatorbasedonashapememoryalloy”，文章詳細介紹了鋰離子電池在不同地點的環(huán)境溫度變化方面的實際運行情況，并且同時也考慮了多種因素，如快速充放電電池，這也使得熱管理策略更加復雜。研究人員指出，傳統(tǒng)的熱線性元件通常不能同時處理熱和冷的極端情況，而其他潛在的解決方案，如受控流體回路，不能提供足夠高的開/關對比度，更不用說對電動汽車使用時的成本和重量的考慮。研究人員的解決方案是“采用一種無流體、被動的熱調節(jié)器，以在炎熱和寒冷的極端環(huán)境中穩(wěn)定電池溫度。在沒有任何電源的情況下，熱調節(jié)器可以根據(jù)本地電池溫度切換其熱傳導，并提供所需的熱功能，在冷時保持熱量，在熱時促進冷卻?！?/p>

為了達到預期效果，他們的被動式熱調節(jié)器設計借鑒了現(xiàn)有熱調節(jié)器概念的兩個關鍵非線性特征。特征中的第一個，固態(tài)相變，對溫度變化表現(xiàn)出良好的突變性，但是未能達到足夠高的開關比(SR)，即開/關狀態(tài)導熱比，這是熱調節(jié)器的主要性能指標。第二個特征，即熱界面的開啟和關閉，具有較高的SR，但是依賴于兩種材料之間的差異熱膨脹。當材料間的界面間隙閉合時，它表現(xiàn)出較強的非線性熱導率。然而，因為這里的熱膨脹效應相對較弱，所以這種設計需要一個過大的熱調節(jié)器體來完成間隙的開啟和關閉。

盡管前面的示例聽起來很復雜，但實現(xiàn)固態(tài)相變和界面熱接觸導電方面的方法非常簡單。為了達到研究人員的設計目標，研究人員依賴于一種形狀記憶合金（SMA）------由鎳鈦合金制成的柔性鎳/鈦合金導線，繞著放置有LIB的頂部熱調節(jié)板的外圍，SMA導線的兩端，對應于熱調節(jié)器的每個角落，與底部散熱板，稱為熱界面材料（TIM）。頂板和底板由一組四個偏置彈簧相對地保持，使其頂板和底板之間產(chǎn)生0.5mm的空氣間隙，并且還保持SMA線處于張力狀態(tài)。這就是所說的熱絕緣關閉狀態(tài)。

隨著電池發(fā)熱，SMA經(jīng)歷相變開始收縮，使兩個板距離更近，直到兩個板接觸，此時線收縮的力大于偏置彈簧的相反力，并且TIM（底部）保持接觸電池（頂部）的熱調節(jié)板，開始散熱；這種情況，即為ON狀態(tài)。這里所述的原型模型就是被動界面調節(jié)器的本質。

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為了驗證關于SMA線和偏置彈簧的這一概念的基本原理，研究人員建立了一個模型，在真空室中進行了測試，使用兩個熱電偶不銹鋼棒作為熱源和一個散熱器-這些對應于這里分別是頂板和底板。在該實驗中，OFF狀態(tài)下的熱隔離被證明是優(yōu)異的，如界面處的非常大的溫度不連續(xù)性和在每個不銹鋼棒中測量的小溫度梯度所證實的。但是，當上桿溫度超過SMA轉變溫度時，間隙關閉，TIM（下桿）開始顯著升溫。作者指出，這里的切換過程在大約10秒內迅速發(fā)生，并且SR達到了2.070：1。他們指出，鎳鈦諾SMA線必須先在較高的應力負荷下進行預處理，然后才能依靠它們通過多次循環(huán)產(chǎn)生穩(wěn)定，可重復的響應。

隨著概念驗證的建立，研究人員開始在實踐中展示這一概念，其中兩個Panasonic18650PFLIB夾在鋁板之間，在環(huán)境室中進行測試。這里采用了類似的熱調節(jié)器設計，經(jīng)過修改，以適應支架中電池的尺寸，設計中要求更長的SMA線長度，以及頂板與底板之間約1mm的間隙。此外，為了滿足高水平的性能，導線和彈簧以及LIB本身的平行熱路徑與氣凝膠毯的隔離是至關重要的。為了比較性能，研究人員還提供了兩種標準線性模型，“始終關閉”和“始終開啟”，也就是用不銹鋼線替換在兩個板之間保持恒定間隙或恒定接觸的SMA線。

在-20°C（-4°F；非常冷）至45°C（114°F；非常熱）的實驗條件下，熱調節(jié)器表現(xiàn)良好，從-20°C（-4°F）快速升溫，溫度保持在20°C（68°F）左右，由于保留的氣隙，電池熱量增加，電池的使用系數(shù)增加了三倍。在相反的極端情況下，熱調節(jié)器也表現(xiàn)出色，在45°C（113°F）左右過渡到ON狀態(tài)，此后LIB中的溫度上升限制在5°C（9°F）。在通過1000個開/關循環(huán)測試該熱調節(jié)器后，研究人員發(fā)現(xiàn)OFF狀態(tài)性能稍微降低（在-20°C[-4°F]時電池容量減少8.5％）而ON狀態(tài)表現(xiàn)保持不變。

正如研究作者所指出的那樣，當使用標準的“始終開啟”熱管理方法時，其熱調節(jié)器的成本很低，而這種方法已經(jīng)包括TIM散熱器。其中SMA和偏置彈簧的附加質量小于1克，鎳鈦諾線的成本約為6美元?！笆褂糜缮逃?a href="/keywords/18650llz/" class = "seo-anchor" data-anchorid=189 target="_blank">18650鋰離子電池組成的電池模塊的演示表明，這種熱調節(jié)器只需保留電池自身產(chǎn)生的熱量，即可將冷天氣容量提高三倍以上，同時還可防止模塊過熱而導致過熱現(xiàn)象，即使在高2C放電率下也會出現(xiàn)這種情況?！毖芯咳藛T總結說。