Поддержание рабочей температуры литий‑ионной батареи 2170 в условиях сильного холода с помощью предварительного подогрева и структуры PCM на основе оксида алюминия

Почему холодные батареи — серьёзная проблема

Электромобили, ноутбуки и домашние накопители энергии используют литий‑ионные элементы, которые лучше всего работают в относительно узком диапазоне температур. Однако в сильный мороз такие батареи «просыпаются» хуже, теряют полезный запас хода и при неправильной эксплуатации могут стареть быстрее. В этом исследовании рассматривают, как держать популярный цилиндрический элемент 2170 в комфортном диапазоне при суровых холодных пусках, сочетая мягкий предварительный подогрев с особой оболочкой для аккумулирования тепла.

Как обеспечить комфорт для элементов питания

Большинство литий‑ионных батарей предпочитают работать в районе примерно от 15 до 35 градусов Цельсия. Ниже этого диапазона внутренние реакции замедляются, сопротивление растёт — это означает меньше мощности и больший стресс при зарядке. Выше этого диапазона ускоряется старение и появляются риски безопасности. Авторы сосредотачиваются на поведении элемента 2170 при исходных температурах до −40 °C, типичных для суровых зим, и изучают, как быстро его согреть и затем не допустить перегрева при интенсивной работе.

Теплоаккумулирующая «куртка» вокруг элемента

Предлагаемое решение оборачивает цилиндрический элемент прямоугольным корпусом из высокопористой алюминиевой пены, пропитанной воскоподобным веществом гексадеканом. Эта материя тает при примерно 18–22 °C, что близко к идеальному диапазону работы батареи. Когда элемент нагревается и начинает выделять тепло, воск поглощает энергию, плавясь, вместо того чтобы позволить температуре элемента резко подняться. Алюминиевая пена с высокой теплопроводностью и прочной структурой быстро распределяет тепло по оболочке, ускоряет процесс плавления и одновременно обеспечивает механическую защиту элемента.

Моделирование экстремальных зимних пусков

Чтобы проверить идею без дорогих и трудоёмких экспериментов, исследователи создали подробную компьютерную модель тепло- и гидродинамики внутри и вокруг элемента и его оболочки. Они смоделировали поведение системы при температуре окружающей среды от −40 до 0 °C и при различных нагрузках разряда — от относительно щадящих (1C) до высоких (4C). Перед каждым разрядом внешний источник мощностью 20 Вт предварительно подогревает элемент от замёрзшего состояния до 15 °C, чтобы он мог начать работу в более безопасной температурной зоне. Модель отслеживает среднюю и пиковую температуру элемента, долю расплавленного воска, равномерность распределения тепла и энергопотребление преднагревателя.

Как система распределяет и хранит тепло

Моделирование показывает, что предварительный подогрев надёжно повышает температуру «холодного» элемента до 15 °C примерно за 10–53 минуты в зависимости от последующей нагрузки и внешней температуры. После начала разряда при низкой и умеренной мощности слой воска постепенно плавится и удерживает элемент около ~20 °C, предотвращая резкие перепады температуры. При высокой мощности элемент нагревается быстрее и может полностью расплавить воск до окончания разряда, после чего температура продолжает расти, но остаётся ниже примерно 42 °C, даже в самой тёплой из изученных условий. Оболочка также ограничивает температурные градиенты внутри элемента, уменьшая возникновение горячих участков, которые сокращают срок службы.

Баланс времени прогрева и энергопотребления

Практически важный вопрос — сколько дополнительной энергии требуется преднагревателю. Модель показывает, что при самой низкой внешней температуре −40 °C при низкой нагрузке (1C) требуется самое продолжительное время прогрева и, следовательно, наибольшая энергия. С ростом скорости разряда собственное потерянное тепло батареи помогает в прогреве, поэтому внешний нагреватель можно выключать раньше — энергопотребление падает более чем вдвое. В более мягком холоде, ближе к 0 °C, элемент часто достигает целевой температуры во многом за счёт собственного подогрева, ещё больше снижая потребность во внешнем нагревателе.

Что это означает для реальных автомобилей

В целом сочетание предварительного подогрева и оболочки из пены, заполненной воском, удерживает этот распространённый тип элемента в безопасной и эффективной температурной зоне даже при суровых зимних пусках. Это предоставляет в основном пассивный способ сгладить температурные всплески и горячие участки, одновременно сокращая дополнительную энергию, необходимую для прогрева замёрзших аккумуляторных блоков. Для водителей это может означать лучший холодный запас хода, более быструю готовность и повышенную долговременную безопасность. Перед внедрением таких систем в коммерческие аккумуляторные блоки инженерам предстоит изучить долговечность композита пена‑воск в длительной перспективе и оптимальную интеграцию этой стратегии с существующей электроникой управления батареями, но работа указывает на практический путь зимнего обеспечения электромобилей следующего поколения.

Цитирование: Alkhatib, O.J., Ali, A.B.M., Tursunzoda, F. et al. Maintaining a 2170 lithium-ion battery’s operating temperature in freezing climates using preheating and an alumina foam PCM structure. Sci Rep 16, 10330 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40953-1

Ключевые слова: литий‑ионные батареи, холодный климат, тепловое управление, материалы с фазовым переходом, электромобили