Hoewel lithium-ionbatterijen tijdens bedrijf slechts minder dan 10% van hun energie in warmte omzetten, zal deze warmte, als deze niet effectief wordt gecontroleerd, de veroudering van de batterij versnellen en in extreme gevallen zelfs thermische overstroming en brand veroorzaken. In schril contrast hiermee genereert het ‘inefficiënte’ elektrochemische systeem van de mens voldoende warmte om elke dag honderden koppen thee te koken, maar kan het nog steeds een stabiele lichaamstemperatuur handhaven. De sleutel ligt in de huid en het zwetende warmteafvoermechanisme.Hierdoor geïnspireerd heeft een onderzoeksteam van de City University van Hong Kong onlangs een ‘huidachtige, adaptieve nanocomposiet-koelfilm’ ontwikkeld waarmee batterijen kunnen ‘zweten en afkoelen’ zoals de huid van zoogdieren.

Jarenlang zijn bijna alle lithiumbatterijsystemen, van mobiele telefoons tot elektrische voertuigen, uitgerust met thermische beheersystemen, waaronder ventilatoren, koellichamen, vloeistofkoelcircuits en faseveranderingsmaterialen, om de celtemperatuur binnen een veilig bereik te houden. Hoewel deze oplossingen volwassen en effectief zijn, hebben ze vaak complexe structuren, nemen ze ruimte in beslag en vereisen ze extra stroomverbruik. Het onderzoeksteam is van mening dat de natuur al een efficiënte en elegante oplossing heeft geboden: de huid van zoogdieren bereikt een uiterst efficiënte regulering van de lichaamstemperatuur door "zweten + verdamping". Als dit mechanisme kan worden ontworpen en in de batterij kan worden getransplanteerd, wordt verwacht dat het tegelijkertijd de prestaties, de veiligheid en de eenvoud van het systeem zal verbeteren.

Volgens berichten bedekt deze nieuwe koelfilm het oppervlak van de batterij als een "huid". Het is samengesteld uit functionele materialen zoals lithiumchloride (LiCl), grafeenoxide (GO), actieve koolstofvezel (ACF), en is ingekapseld in een poreus polytetrafluorethyleen (PTFE) membraan en ondersteund door een koperen frame. Voor elk onderdeel is er een duidelijke taakverdeling: LiCl is een zeer hygroscopisch zout dat bij lage temperaturen vocht uit de lucht kan opnemen en opslaan; grafeenoxide vormt een efficiënt thermisch geleidend netwerk, dat de door de batterij gegenereerde warmte snel binnen het membraan verspreidt; de poreuze structuur van de actieve koolstofvezel vergroot het verdampingsoppervlak aanzienlijk; het koperen frame helpt de warmte gelijkmatig te verdelen en lokale verzadiging te voorkomen; het PTFE-buitenmembraan voorkomt lekkage van de oplossing terwijl waterdamp vrij kan passeren.

Naarmate de batterij warmer wordt, absorbeert het vocht dat in het membraan is opgeslagen warmte en verdampt het snel, waardoor de warmte van het batterijoppervlak wordt afgevoerd, een proces dat bekend staat als 'desorptiekoeling'. Wanneer de batterij afkoelt, zal het membraan spontaan water uit de omringende lucht herabsorberen, waardoor de "vochtinventaris" wordt hersteld en zich wordt voorbereid op de volgende werkronde. Het onderzoeksteam wees erop dat deze adaptieve vochtabsorptie- en afgiftekarakteristiek ervoor zorgt dat de koelfilm automatisch zijn eigen toestand kan aanpassen onder verschillende werkomstandigheden en een continue circulatie kan bereiken zonder de noodzaak van een extern controlesysteem.

Uit experimentele gegevens bleek dat de adaptieve koelfilm een ​​gemiddeld koelvermogen van 802,5 W·m⁻² bereikte tijdens proof-of-concept-tests en de temperatuur met 34,3 graden Celsius (ongeveer 61,7 graden Fahrenheit) verlaagde bij een hoge warmtefluxdichtheid van 2,7 kW·m⁻². Bij het uitvoeren van hoogwaardige laad- en ontlaadtests op een commerciële lithium-ionbatterij met een nominale spanning van 3,7 V/12 Ah, werd de levensduur van de batterij met behulp van deze koelfilm verlengd van 118 keer naar 233 keer, wat bijna verdubbeld is. De onderzoekers wezen erop dat onder sterke thermische belastingsomstandigheden die dicht bij de werkelijke werkomstandigheden van krachtige batterijen liggen, het materiaal nog steeds een afkoeling van meer dan 30 graden Celsius kan bereiken, wat voldoende is om prestatieverslechtering en veiligheidsrisico's aanzienlijk te onderdrukken.

Naast het koelvermogen heeft de nanocomposietfilm ook uitstekende vlamvertragende eigenschappen, waardoor de verspreiding van thermische overstroming effectief wordt voorkomen onder omstandigheden die normaal gesproken tot verbranding zouden leiden. Uit tests bleek dat het membraan na meer dan 1000 uur intensief gebruik een stabiel thermisch beheersvermogen behield, wat een goede duurzaamheid en herhaalbaarheid aantoonde. Belangrijker nog is dat het hele systeem passief wordt gekoeld en geen extra voeding nodig heeft: de LiCl in de film zal automatisch vocht uit de lucht opnemen wanneer de temperatuur van de batterij daalt, waardoor de volgende warmteafvoer wordt "opgeladen".

"Ons doel is om een ​​passieve, compacte, goedkope en praktische oplossing voor thermisch beheer te ontwikkelen die sterke koelmogelijkheden biedt zonder externe energie-input, terwijl rekening wordt gehouden met betrouwbaarheid en veiligheid tijdens de daadwerkelijke werking van de batterij." zei projectleider Dr. Sui Zengguang. Dankzij de eenvoudige structuur en het compacte formaat is deze koelfilm zeer schaalbaar qua ontwerp en kan hij naar behoefte worden vergroot of verkleind. Er wordt verwacht dat het in alles zal worden toegepast, van draagbare elektronische apparaten tot accupakketten voor grote elektrische voertuigen.

Het onderzoeksteam herinnert er echter ook aan dat deze technologie momenteel meer geschikt is voor scenario's waarin de warmtebelasting met tussenpozen of periodiek verandert. Onder omstandigheden met een continue hoge warmtestroomdichtheid zal de koelcapaciteit beperkt zijn, omdat het materiaal tijd nodig heeft om af te koelen en vocht opnieuw te absorberen. Met andere woorden: dit is een passieve koeloplossing die zeer geschikt is voor ‘intermitterend werk met hoog vermogen’, in plaats van een one-size-fits-all oplossing voor aanhoudende extreme hitte.

Hoewel dit zich nog in een relatief vroeg stadium bevindt en verder onderzoek, ontwikkeling en verificatie vereist voordat volledige industrialisatie kan plaatsvinden, zijn onderzoekers behoorlijk optimistisch over de vooruitzichten. Zij zijn van mening dat deze technologie zeer aantrekkelijk is voor elk scenario dat licht en compact is, geen extra stroomvoorziening vereist, maar wel ‘zinvolle koelcapaciteit’ vereist, vooral in velden die extreem gevoelig zijn voor gewichts- en verpakkingsbeperkingen, zoals mensachtige robots en drones. Het relevante onderzoeksartikel is gepubliceerd in het tijdschrift "ACS Nano", en meer gedetailleerde technische details worden ook in het artikel onthuld.