Учёные из Пенсильванского государственного университета представили новую архитектуру литий-ионных аккумуляторов, способных стабильно работать в диапазоне температур от -50 до +75 градусов Цельсия — значительно шире, чем у существующих решений. Информация о разработке, опубликованная в журнале Joule, обозначает принципиально иной подход к термальной стабилизации: вместо внешних систем охлаждения и подогрева, которые требуют дополнительной энергии и занимают объём, инженеры встроили внутренний нагревательный элемент непосредственно в структуру батареи.
Традиционные литий-ионные аккумуляторы были разработаны для использования в портативной электронике при умеренных температурах — около 25 градусов Цельсия. Однако сегодня они применяются в условиях, для которых не были задуманы: в электромобилях, крупных дата-центрах, солнечных станциях в пустынях и спутниках, где температура может опускаться ниже -30 градусов или подниматься выше 45. В таких средах аккумуляторы теряют ёмкость, снижается их надёжность, а в некоторых случаях — возникает риск перегрева и возгорания. Для компенсации этих недостатков производители вынуждены устанавливать сложные, тяжёлые и энергоёмкие системы терморегуляции, которые увеличивают стоимость, массу и потребность в техническом обслуживании.
— Эти батареи никогда не создавались для такого широкого спектра задач. Мы столкнулись с фундаментальным ограничением конструкции, — пояснил профессор механической и химической инженерии Чао-Ян Ван, возглавлявший исследование.
По его словам, попытки улучшить работу батарей в экстремальных температурах до сих пор сводились к компромиссам: повышение стабильности при жаре часто ухудшало производительность при холоде, и наоборот.
Новая модель, получившая название «аккумулятор для всех климатов» (all-climate battery, ACB), решает эту проблему синергетически. Вместо того чтобы менять только химический состав электролита и электродов, команда оптимизировала материалы для работы при высоких температурах — заменив традиционный жидкий электролит, который при нагреве становится слишком летучим, на более термостойкие компоненты. Одновременно в конструкцию был интегрирован тончайший нагревательный элемент — полоска никелевой фольги толщиной около 10 микрон, что немного больше диаметра эритроцита. Этот элемент питается самим аккумулятором и активируется только при понижении температуры окружающей среды, обеспечивая локальный подогрев внутренних слоёв без необходимости в внешних устройствах.
— Мы не пытаемся сделать один материал идеальным для всего. Мы делаем его идеальным для жары — и используем внутренний нагрев, чтобы компенсировать холод, — объяснил Ван.
При этом фольга добавляет к батарее практически нулевую массу и объём, не нарушая её компактность. В условиях холода система автоматически включает нагрев, поднимая температуру активных элементов до оптимального уровня, а при повышении внешней температуры — отключается, позволяя батарее рассеивать тепло естественным путём.
Испытания показали, что такая конструкция позволяет сохранять высокую эффективность и безопасность как при экстремальном холоде, так и при сильном нагреве. Дополнительные тесты подтвердили, что батарея способна выдерживать циклы заряда-разряда при температурах от -50 до +75 градусов Цельсия, в то время как стандартные литий-ионные модели теряют работоспособность уже при -30 и +45 градусах. Устранение внешних систем терморегуляции, по оценкам исследователей, сокращает занимаемое батареей пространство, снижает энергопотребление на охлаждение и минимизирует затраты на обслуживание — что особенно важно для масштабных систем, таких как дата-центры, где тысячи аккумуляторов работают в непрерывном режиме.
Ван отметил, что в перспективе аналогичные решения можно адаптировать для работы при ещё более высоких температурах — до +85 градусов Цельсия — что открывает возможности для применения в гиперзвуковых аппаратах, космических аппаратах, а также в энергетических системах, размещённых в зонах с экстремальным климатом.