Ученые из Университета Чхунбук в Южной Корее представили новую систему охлаждения для литий-ионных аккумуляторов формата 4680, которые используются в современных электромобилях, включая новую модель Tesla. Их разработка объединяет принципы тепловой трубки и двухфазного иммерсионного охлаждения и позволяет эффективно отводить тепло от батарей без насосов и других активных элементов — только за счет естественной циркуляции жидкости между зонами испарения и конденсации.
Формат 4680 стал одним из важнейших технологических достижений в области аккумуляторов. Он обеспечивает высокую плотность энергии и упрощает сборку батарейных модулей. Однако при этом такие элементы выделяют много тепла, особенно при быстрой зарядке или интенсивной работе. Температура может превышать безопасный порог в 60°C, что ускоряет износ батареи, снижает ее емкость и повышает риск перегрева. Обычные системы охлаждения (воздушные или жидкостные) часто не справляются с такими нагрузками, особенно при высоких токах.
Корейские исследователи предложили оригинальное решение — герметичную камеру, внутри которой находятся аккумуляторы и небольшое количество охлаждающей жидкости. При нагреве жидкость испаряется, поднимается вверх, конденсируется на охлаждающей пластине и затем возвращается вниз по стенкам или через специальный пористый фитиль. Так создается замкнутый двухфазный цикл отвода тепла. Вся система работает пассивно, без внешних источников энергии, и отличается надежностью, бесшумностью и простотой.
Ключевой элемент конструкции — фитиль, который помогает жидкости возвращаться в зону испарения. Ученые протестировали шесть вариантов фитиля, отличающихся по материалу (полиуретан, целлюлоза, комбинированная ткань) и форме. Лучшую эффективность показал вариант из смешанной ткани с «коронной» геометрией, позволяющей пару свободно выходить вверх. Эта конфигурация (Wick 5) при тепловой нагрузке 85 Вт удерживала температуру на уровне 47°C, обеспечивала минимальную разницу температур по поверхности (2,8°C) и низкое тепловое сопротивление (0,26°C/Вт), что говорит о стабильной и равномерной работе системы.
Результаты были дополнительно подтверждены с помощью компьютерных моделей, созданных в инженерных программах AMESim и ANSYS Fluent. Моделирование помогло оценить работу системы в условиях, которые трудно воспроизвести в лаборатории, и определить оптимальные параметры. Самая стабильная работа наблюдалась при заполнении камеры жидкостью на 30–40%. При меньшем объеме жидкость быстро испаряется, и фитиль пересыхает. При большем — нарушается циркуляция и испарение становится менее эффективным. Также было установлено, что при тепловой нагрузке выше 155 Вт система уже не справляется — пар накапливается, и процесс фазового теплообмена нарушается.
Главное преимущество этой системы — в ее простоте и эффективности. Она не требует сложного оборудования и может работать с минимальным объемом жидкости. Компактная и модульная конструкция позволяет плотнее размещать аккумуляторы без риска перегрева. В условиях роста производства электромобилей, где важно использовать каждый миллиметр и каждый грамм, такое решение может оказаться особенно полезным.
В перспективе ученые планируют адаптировать систему для работы с диэлектрическими (непроводящими ток) жидкостями, что сделает ее полностью безопасной для использования в реальных аккумуляторных модулях. Также они собираются развивать более точные модели, учитывающие микроструктуру фитилей и особенности теплообмена внутри пористых материалов.
