Литий-ионные аккумуляторы отличаются высокой эффективностью – в процессе работы они теряют в виде тепла менее 10% энергии. Однако даже этот незначительный нагрев требует сложных систем терморегуляции для предотвращения снижения производительности и срока службы. Для сравнения, человеческое тело – куда менее эффективный механизм – ежедневно выделяет достаточно тепла, чтобы вскипятить сотню чашек чая, и при этом прекрасно себя чувствует благодаря уникальной способности кожи к потоотделению.
Именно этот природный механизм вдохновил исследователей из Городского университета Гонконга на создание инновационной системы охлаждения для батарей. Они разработали адаптивную нанокомпозитную мембрану, которая буквально «потеет», чтобы поддерживать оптимальную температуру аккумулятора. Эта технология может стать альтернативой существующим громоздким и энергозатратным решениям.
Проблема перегрева актуальна для всех устройств на литий-ионных аккумуляторах, от смартфона до электромобиля. Выделяемое при зарядке и разрядке тепло со временем разрушает внутреннюю структуру батареи. В критических случаях это может привести к цепной реакции – так называемому тепловому разгону, который нередко заканчивается возгоранием или взрывом. Инженеры используют вентиляторы, радиаторы и системы жидкостного охлаждения, но все они увеличивают вес, габариты и потребляют дополнительную энергию.
«Мы обратили внимание, насколько эффективно потоотделение помогает телу сохранять стабильную температуру даже при интенсивных нагрузках, – объясняет доктор Цзэнгуан Суй, один из авторов исследования. – Мы задались вопросом: можно ли перенести этот принцип испарения в мир высоких технологий для управления температурой мощных устройств и батарей?».
Новая мембрана, словно вторая кожа, оборачивается вокруг аккумулятора. Она состоит из нескольких ключевых компонентов: хлорид лития (LiCl) впитывает и удерживает влагу из воздуха, когда батарея холодная. При нагреве оксид графена равномерно распределяет тепло по всей поверхности, а пористая структура из активированного углеродного волокна увеличивает площадь испарения. Все это заключено в пористую тефлоновую оболочку, которая выпускает пар, но не дает раствору протечь.
Принцип работы прост: когда аккумулятор нагревается, накопленная в мембране вода поглощает тепло и испаряется, эффективно охлаждая поверхность. Этот процесс называется десорбционным охлаждением. Как только батарея остывает, мембрана снова начинает впитывать влагу из окружающей среды, готовясь к следующему циклу. Система полностью пассивна и не требует для своей работы никакого источника энергии.
Испытания показали впечатляющие результаты. Мембрана смогла снизить температуру аккумулятора более чем на 34 °C при интенсивном тепловом потоке. В ходе тестов на коммерческой литий-ионной батарее при высоких нагрузках срок ее службы увеличился более чем вдвое – с 118 до 233 циклов. Кроме того, материал обладает огнезащитными свойствами, предотвращая тепловой разгон в условиях, которые обычно приводят к возгоранию. Система сохраняла свою эффективность даже после 1000 часов непрерывных испытаний.
Несмотря на все преимущества, технология имеет ограничение: она наиболее эффективна при циклических или прерывистых тепловых нагрузках. Для охлаждения в условиях постоянного нагрева ей требуется время на «отдых» и поглощение новой порции влаги из воздуха.
Хотя технология еще требует доработок для массового внедрения, ее перспективы огромны. «Мы видим большой потенциал везде, где требуется легкий, компактный и энергонезависимый термоконтроль, – отмечает доктор Суй. – Наиболее перспективными областями применения мы считаем человекоподобных роботов и беспилотные летательные аппараты, для которых вес и компактность критически важны».