Группа ученых из университета штата Пенсильвания совместно со своими коллегами из компании EC Power создала «всесезонный» литий-ионный аккумулятор, способный к самонагреву при переохлаждении. Модификация аккумулятора внутренним нагревательным контуром значительно расширяет возможность использования аккумуляторов в условиях морозного климата. Подробное описание работы опубликовано в журнале Nature.

Концепция идеи довольно проста: исследователи добавили в батарею слой никелевой фольги толщиной около 50 микрон, создав дополнительный электрический контур, состоящий из соединенных анода и фольги. В случае если температура «за бортом» оказывается слишком низкой и аккумулятор слишком сильно охлаждается, вместо обычного контура анод-катод в работу включается дополнительный контур, протекание тока через который обеспечивает омический нагрев устройства.

Схема описываемого аккумулятора. Изображение: Chao-Yang Wang et al. DOI: 10.1038/nature16502

В качестве прототипа для изучения команда использовала типовой литий-ионный аккумулятор, состоящий из 25 катодных слоев LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂ и 26 анодных графитовых слоев, общая емкость устройства составила 7,5 ампер-часов. Исследователи подобрали параметры фольги исходя из соображений стабильности твердого электролита: напряжение в «нагревателе» составляет всего 2 вольта, т.е. лежит в рабочей области аккумулятора.

Используя подобную схему, исследователи смогли добиться впечатляющих результатов: на нагрев до нуля предварительно охлажденного до минус 20 и минус 30 градусов аккумулятора тратится всего лишь 3,8 и 5,5 процента емкости батареи соответственно, причем средняя скорость нагрева аккумулятора составляет около одного градуса в секунду.

Литий-ионные аккумуляторы подвержены высоким потерям мощности при работе в условиях отрицательных температур, что ограничивает их применение в электромобилях, смартфонах и различных носимых устройствах в условиях холодного климата. На практике в случае электромобилей подобное снижение мощности вынуждает производителей использовать большие по размерам и мощности аккумуляторы для холодного старта двигателя, а также приводит к неэффективному использованию рекуперативного торможения и суммарному итоговому снижению запаса хода автомобиля на 40 процентов при понижении температуры окружающей среды от 23 градусов Цельсия до минус семи.

Автор: Евгений Анохин