Bateritë litium-jon janë shumë eficientë, duke humbur më pak se 10% të energjisë së tyre në formë të nxehtë gjatë funksionimit. Megjithatë, ato kërkojnë sisteme menaxhimi termik për të rregulluar këtë nxehtësi, pasi ajo mund të ndikojë negativisht në performancën dhe jetëgjatësinë e tyre. Nga ana tjetër, trupi njerëzor, i shumë më pak eficient nga pikëpamja elektrokimike, gjeneron nxehtësi të mjaftueshme për të zier mbi 100 gota çaji çdo ditë dhe thjesht “relaksohet”.
Sekreti? Lëkura jonë dhe aftësia e saj për të transpiruar. Një ekip hulumtuesish nga Universiteti i Hong Kongut mund të ketë gjetur një mënyrë për të dhënë baterive këtë aftësi, duke përdorur një membranë ftohëse adaptuese e frymëzuar nga lëkura, ose “Skin-Inspired Adaptive Nanocomposites Cooling Membrane”.
Menaxhimi termik për bateritë litium-jon ekziston që nga krijimi i vetë baterive. Megjithëse shumë eficientë, këto bateri humbasin një pjesë të energjisë së tyre në formë nxehtësie gjatë konvertimit midis energjisë elektrike dhe kimike, ndërsa ngarkohen dhe de-ngarkohen. Pa një menaxhim të duhur, nxehtësia e shpërndarë mund të dëmtojë baterinë, duke ndikuar në jetëgjatësinë e saj me kalimin e kohës. Në raste të rënda, ajo mund të shkaktojë një reaksion termik të rrezikshëm, i njohur si “thermal runaway”, që mund të rezultojë në zjarr ose shpërthim.
Për këtë arsye, është e kuptueshme që praktikisht çdo sistem i fuar me litium-jon, nga pajisja që mbani në dorë deri te automjetet elektrike, përfshin një formë të menaxhimit termik. Gjithë kohës, inxhinierët kanë zhvilluar ventilatorë, radiatorë, sisteme ftohëse me lëng, materiale që ndryshojnë fazën dhe teknologji të tjera për të mbajtur temperaturat e qelizave brenda kufijve të sigurt të funksionimit. Këto metoda kanë rezultuar efektive. Megjithatë, ato janë shpesh komplekse dhe pothuajse gjithmonë kërkojnë hapësirë dhe energji shtesë.
Inspiruar nga sistemi i ftohjes i natyrës, i lëkurës së kafshëve, ekipi i hulumtuesve ka zhvilluar një membranë ftohëse që “transpirohet” si një alternativë ndaj sistemeve tradicionale të menaxhimit termik.
“Vërejmë se si transpirimi ndihmon për të mbajtur temperaturën e trupit relativisht stabile, edhe nën sforco të madh. Është një fenomen i thjeshtë, por që pasqyron një aftësi shumë efikase të termoregulimit, e formuar nga evoluimi. Ne pyetëm veten: a mund të përkthejmë këtë parim e ‘transpirimit + avullimit’ në menaxhim termik të pajisjeve/baterive me fuqi të lartë, në një mënyrë të kontrolluar dhe të lehtë për përdorim nga inxhinierët?” thotë Dr. Zengguang Sui, pjesë e ekipit të hulumtuesve.
Membrana, e cila rrethojnë baterinë si lëkurë, është një material kompozit që përbëhet nga kloruri i litiumit (LiCl), oksidi i grafenit (GO) dhe fibra e karbonit aktiv (ACF), të gjitha të mbyllura në një membranë poroz PTFE dhe të mbështetura nga një kornizë e bakrit.
Një term në të gjitha këto, por çdo komponent luan një rol të rëndësishëm. Le të shohim secilin prej tyre.
LiCl është një kripë shumë higroskopike që absorbon dhe liron eficient shkarkesa. Kur bateria është e ftohtë, kripa thith dhe mbajnë ujë nga atmosfera. Oksidi i grafenit formon një rrjet eficient të transferimit të nxehtësisë, duke shpërndarë energjinë termike në membranë ndërsa bateria ngrohet, ndërsa struktura poroz e fibrave të karbonit aktiv maksimizon sipërfaqen për avullimin e ujit. Korniza e bakrit siguron shpërndarjen uniforme të nxehtësisë dhe parandalon ngopjen lokale. Së fundi, membrana PTFE parandalon rrjedhjen e solucionit, ndërkohë që lejon që avulli i ujit të dalë lirshëm.
Kur bateria ngrohet, uji absorbon nxehtësinë dhe avullon, duke e transferuar larg baterisë. Ky mekanizëm njihet si ftohje me avullim. Kur bateria ftohet, membrana absorbon spontanisht lagështinë nga ajri që e rrethojnë, duke rivendosur përmbajtjen e saj të ujit.
Pra… çfarë e bën këtë membranë të veçantë si sistem menaxhimi termik? Për të filluar, ajo është shumë efektive. Testet e konceptit tregojnë se membrana ftohëse adaptuese ofron një fuqi ftohëse mesatare prej 802.5 W·m⁻² dhe ul temperaturën për një total prej 34.3 °C (61.7 °F) nën një flux nxehtësie prej 2.7 kW·m⁻². Kur u aplikua në një bateri komerciale litium-jon prej 3.7 V/12 Ah, membrana zgjati jetëgjatësinë e baterisë nga 118 në 233 cikle.
Me fjalë të thjeshta, nën nxehtësi shumë të lartë, siç prodhojnë bateritë me performancë të lartë, materiali arriti të heqë një sasi të madhe nxehtësie për njësi sipërfaqe, duke arritur një ulje të temperaturës prej më shumë se 30 °C (54 °F). Përveç ftohjes, membrana ofron rezistencë të shkëlqyer ndaj zjarrit, duke parandaluar reaksionet termike në kushte që normalisht do të shkaktonin një zjarre. Sistemi është gjithashtu shumë i qëndrueshëm dhe i qëndrueshëm. Gjatë testimit, membrana ruajti veçoritë e saj të menaxhimit termik pas 1000 orësh përdorimi intensiv.
Përveç këtyre faktorëve, sistemi implementon ftohje pasive. Ndryshe nga ventilatorët dhe sistemet e ftohjes me lëng, membrana ftohëse adaptuese e nanocompozitës nuk kërkon energji për të funksionuar. Kripa higroskopike LiCl në membranë thith automatikisht ujë nga ajri që e rrethojnë kur bateria ftohet.
“Qëllimi ynë ishte të zhvillonim një qasje pasive, kompakte, me kostot e ulëta dhe praktike të menaxhimit termik që mund të ofrojë një kapacitet të lartë ftohëse pa energji të jashtme, duke u adresuar gjithashtu besueshmëria dhe siguria për operimin real të baterisë”, thotë Dr. Sui.
Së fundi, membrana ftohëse është një sistem kompakt dhe i pa komplikuar që është shumë i skalueshëm. Membrana mund të dimensionohet për të dy pajisje të vogla dhe sisteme të mëdha litium-jon, si automjetet elektrike.
Tani, me të gjitha karakteristikat e saja të dobishme, teknologjia është vërtet një mundësi e mundshme për të revolucionarizuar menaxhimin termik të baterive litium-jon. Megjithatë, është e rëndësishme të theksohet se sistemi funksionon më mirë në aplikacione me ngarkesa termike periodike ose ciklike. Ftohja në skenarë me nxehtësi të vazhdueshme është e kufizuar, pasi sistemi kërkon kohë për të ftohet dhe për të riabsorbuar lagështinë.
Megjithëse është ende një teknologji relativisht e re dhe do të kërkonte më shumë kërkime dhe zhvillime për të arritur një qëndrueshmëri të plotë, perspektivat janë emocionuese.
“Ne shohim një potencial të fortë kudo që ka nevojë për kontroll termik të lehtë, kompakt, pa energji dhe me performancë ftohëse
Burimi: newatlas.com
