تصميم غرفة بطارية خلايا العملة لتجارب الأوبراندو منخفضة الحرارة

Aaron Dubois; Shintaro Inaba; Eric Novak; Paul Jacobs; Steven Palmer; Hillary Smith

doi:10.3791/68972

مقالة منهجية

تصميم غرفة بطارية خلايا العملة لتجارب الأوبراندو منخفضة الحرارة

DOI:

10.3791/68972

⸱

فبراير 17, 2026

Aaron Dubois¹ , Shintaro Inaba¹ , Eric Novak¹ , Paul Jacobs¹ , Steven Palmer¹ , Hillary Smith¹

¹Department of Physics and Astronomy, Swarthmore College

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم تقديم تصميم لتمكين تشغيل بطارية منخفضة الحرارة بشكل فعال من حيث التكلفة لخلايا العملة لعام 2032 في بيئة منخفضة الرطوبة. يتم تدوير الخلايا عند 0 درجة مئوية داخل غرفة مبردة بواسطة وحدات حرارية كهربائية. يمكن تكييف هذا التصميم البسيط لتجارب تتطلب بيئات حرارية ورطوبة مشابهة أو هندسة بطاريات مختلفة.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ومع اعتمادنا المتزايد على البطاريات القابلة لإعادة الشحن التي تشغل أجهزتنا، أصبح من المهم بشكل متزايد فهم التخفيضات في السعة والأداء التي تحدث في بيئات الطقس البارد. الأبحاث التي تركز على أداء البطاريات في دورات الحرارة المنخفضة ضرورية لتوجيه تصميم وتحسين البطاريات المتقدمة. ومع ذلك، فإن معدات تدوير البطاريات منخفضة الحرارة المتوفرة تجاريا غالبا ما تكون مكلفة، مما يمنع إجراء أبحاث دورة الدراجات منخفضة الحرارة في العديد من المنشآت. فيما يلي تصميم بسيط وفعال من حيث التكلفة لغرفة درجة الحرارة يسهل تجميعه وتنفيذه بسرعة. يتيح هذا التصميم التحكم الدقيق في درجة الحرارة لأربع خلايا عملة 2032 في بيئات منخفضة الرطوبة، مما يقلل من مشاكل التآكل والتكثف. تظهر بيانات الدورة الكهروكيميائية تطور سعة الخلية عند T = 0 ± 1 °C لمدة 100 دورة بمعدل C/7. يمكن خفض درجة الحرارة إلى -5 درجات مئوية في التصميم الحالي، وتعديلات صغيرة ستسمح بدرجات حرارة أقل حتى. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تعديل هذا التصميم بسهولة لاستيعاب أنواع أخرى من البطاريات أو لزيادة عدد العينات المقاسة.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

مع تزايد كهربة العالم، تلعب البطاريات دورا رئيسيا في تنشيط أجهزتنا. من تشغيل مركباتنا الكهربائية إلى توفير تخزين الطاقة لمصادر الطاقة المتجددة على مستوى الشبكة، أصبح من المهم بشكل متزايد تطوير بطاريات تظهر أداء عاليا في مجموعة واسعة من المناخات ^1,2. غالبا ما ينخفض أداء البطارية في بيئات الطقس البارد، مما يتطلب المزيد من البحث المركز على تحقيقات البطاريات في درجات الحرارة المنخفضة ^3,4. ومع ذلك، فإن معدات تدوير البطاريات منخفضة الحرارة المتوفرة تجاريا غالبا ما تكون مكلفة، مما يمنع إجراء هذه الدراسات في منشآت بحثية لا تركز عادة على التجارب غير المحيطة.

العديد من تطبيقات البطاريات تحتاج فقط إلى فهم سلوك درجات الحرارة المنخفضة عند درجات حرارة معتدلة تقترب من 0 درجة مئوية أو^{أقل قليلا من 5}. على الرغم من هذا النطاق المحدود من درجات الحرارة، تستمر البطاريات في إظهار انخفاضات كبيرة في السعة الإجمالية والأداء وخصائص الشحن عند درجات الحرارة المنخفضة ^6,7. على سبيل المثال، تحافظ بطاريات الليثيوم أيون التجارية على 10٪ فقط من سعتها في درجة حرارة الغرفة عند −40 درجة مئوية ^8.9. جميع مكونات الخلية، بما في ذلك الكاثود والأنود والإلكتروليت، لها تأثيرات موثقة عند درجات الحرارة غير المحيطة ^6,7,10. تزداد أهمية هذه القضية بسبب ظهور السيارات الكهربائية مؤخرا، مما يعيق استخدام البطاريات القابلة لإعادة الشحن في البلدان ذات المناخات الشتوية الباردة^11,12. لا يمكن تحسين أداء البطاريات في بيئات الطقس البارد إلا إذا قمنا بزيادة فهمنا للعمليات المعقدة التي تحدث عند درجات حرارة منخفضة.

تستخدم بطاريات الخلايا النقدية عادة لتشغيل الأجهزة الإلكترونية المحمولة الصغيرة بسبب تصميمها المدمج. وغالبا ما تستخدم أيضا في مختبرات الأبحاث لاختبار الكيمياء الجديدة للبطاريات والأداء العام للجهاز. خلايا العملات سهلة التجميع ومنخفضة التكلفة، مما يمكن الباحثين من اختبار النماذج الأولية الجديدة بسرعة قبل التوسع إلى حزم بطاريات أكبر وأكثر تعقيدا وتكلفة. كما أن حجمها الصغير يسمح لها بالتركيب بسهولة ضمن معدات بيئة العينات ذات درجات الحرارة المنخفضة، مما يسمح بإجراء التحقيقات العملية والميدانية الحقيقية. لذلك، تعتبر خلايا العملات خيارات ممتازة لدراسات البطاريات المعتمدة على درجة الحرارة، وهناك حاجة واضحة لغرفة منخفضة الحرارة بأسعار معقولة (≈ 0 درجة مئوية) مصممة خصيصا لاختبار بطارية خلايا العملات غير المحيطة¹³. يمكن للثلاجات السكنية التجارية توفير درجات الحرارة المنخفضة المطلوبة لهذه التجارب، لكن نقص تنظيم الرطوبة يسبب مشاكل تآكل ويعيق دقة القياسات. تميل المعدات التجارية المتخصصة إلى أن تصمم لمختبرات أبحاث البطاريات واسعة النطاق، وغالبا ما تقيس عشرات أو مئات البطاريات في نفس الوقت. هذه المعدات مكلفة وقد تكون مكلفة جدا للمختبرات البحثية ذات الميزانيات الصغيرة.

نقدم هنا تصميما بسيطا وفعالا من حيث التكلفة لغرفة منخفضة الحرارة سهل التجميع وسريع التنفيذ، مما يسمح بإجراء المزيد من الأبحاث حول البطاريات منخفضة الحرارة. يتيح هذا التصميم التحكم الدقيق في درجة الحرارة لأربع خلايا عملة 2032 في بيئة منخفضة الرطوبة لتقليل مشاكل التآكل والتكثف. يوفر بديلا فعالا من حيث التكلفة لمعدات التحكم في درجة الحرارة التجارية التي يمكن تنفيذها في مختبرات بحثية صغيرة. يمكن تجميع التصميم البسيط بسهولة في أقل من أسبوع باستخدام تشغيل تشغيل بسيط، وقطع جاهزة متاحة، بالإضافة إلى بعض القطع المخصصة التي يمكن تصنيعها باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد باستخدام الملفات المرفقة. التكلفة الإجمالية حوالي 870 دولار أمريكي، ولكن بالنظر إلى أن العديد من هذه المواد متوفرة بشكل شائع وقد تكون موجودة بالفعل في مختبرات الأبحاث، فإن التكلفة الإجمالية لهذا الجهاز قد تكون أقل بكثير للإنتاج. تم توفير دليل خطوة بخطوة حول كيفية تجميع النظام.

تظهر فعالية التصميم من خلال دورة الأوبراندو الجالفانوستاتية تحت ظروف درجة حرارة غير محيطة (0 درجة مئوية)، وقد ثبت أنه مناسب للدورة طويلة الأمد على مدى عدة أشهر. كما يتم عرض أداء التحكم في درجة الحرارة وتمثيل ثلاثي الأبعاد لتوزيع درجة الحرارة داخل الحجرة. على الرغم من عدم عرض النتائج هنا، يمكن استخدام الحجرة أيضا لتجارب كيميائية كهروكيميائية إضافية، بما في ذلك الفولتمترية الدورية والتحليل الطيفي للممانعة الكهربائية. تمت مناقشة التعديلات على هذا التصميم للسماح بمجموعة أوسع من قياسات الأوبراندو، بالإضافة إلى إمكانية توسيع نطاق درجة حرارة الحجرة.

الأهداف الرئيسية لهذه الغرفة هي التحكم الدقيق في درجة الحرارة مع الحد من التكثف، مما يسمح بتدوير أربع خلايا عملة 2032 تحت هذه الظروف. يتم الحصول على التبريد الأولي باستخدام ثلاجة صغيرة تجارية، لكن تغيرات درجة الحرارة قد تكون غير موثوقة لأغراض تجريبية. لذلك، يستخدم هذا التصميم وحدة تحكم تشغيل-إيقاف تتحكم في وحدتين حرارية كهربائية لتنظيم غرفة صغيرة محكمة الإغلاق مصنوعة من راتنج الأسيتال. تقوم المبادلات الحرارية والمراوح بتبدد الحرارة، مما يسمح للوحدات الحرارية الكهربائية بالحفاظ على فرق درجة حرارة صغير. تسمح التمريرات الموجودة على الغطاء بمرور ثمانية أسلاك عبره للسماح بتدوير البطارية. يتم تمثيل مخطط لمقطع عرضي من التصميم في الشكل 1A.

figure-introduction-1
الشكل 1: غرفة درجة الحرارة. (أ) رسم توضيحي لغرفة درجات الحرارة المنخفضة مع المكونات الموسومة. (ب) غرفة درجة الحرارة المجمعة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. تصنيع الحجرة

مكونات الطباعة ثلاثية الأبعاد
1. اطبع جميع ملفات STL ثلاثية الأبعاد في الملف التكميلي 1 (Gasket Jig.stl، Heat Sink Clamp.stl، On-off mount.stl، Protoboard Mount.stl، Wire to Alligator Converter.stl، wirering Station Bottom.stl، وwirering Station Top.stl)، باستثناء ملفات Chamber.stl وChamber Lid.stl، باستخدام حمض البولي لاكتيك (PLA).
  ملاحظة: تعليمات الطباعة جزء من الملف التكميلي 2. في الجزء الأول من هذا البروتوكول، سيتم كتابة أجزاء من جدول المواد بخط مائل، والأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد سيكون لها امتداد (.stl).
طحن الغرفة الرئيسية، والغطاء، والمصارف الحرارية
1. قم بطحن كتلة راتنج الأسيتال إلى كتل جاهزة بحجم 4 إنش × 3.5 إنش × 1.5 إنش و1.45 إنش × 1.45 إنش × 1.125 إنش.
  تحذير: يمكن أن يكون التشغيل الماكينجي خطيرا ويؤدي إلى إصابات شخصية. يجب أن يتم تنفيذ الخطوات التي تتضمن التشغيل الآلي طوال هذا البروتوكول فقط من قبل محترفين مدربين.
2. استخدم جهاز تحكم رقمي حاسوبي (CNC) أو آلة طحن يدوية لإنشاء الحجرة الرئيسية والغطاء كما هو موضح في ملفات Chamber.stl و Chamber Lid.stl في الملف الإضافي 1.
  ملاحظة: يجب أن يكون الغطاء منظفا لضمان ملاءمة محكمة الإغلاق للهواء. يمكن إضافة حلقة O لتحقيق ختم أفضل.
3. قم بتقسيم مشتت الحرارة إلى ملفين بحجم 4 إنش في 3.5 بوصة.
4. احفر من خلال الثقوب وفقا لملف Layout.pdf الثقب في الملف الإضافي 1.
5. احفر ثقوبا في زعانف مشتت الحرارة لإفساح المجال لرؤوس براغي الغطاء.
6. ثبت مسمار بقطر 1/4" إلى 20 × 1" في أعلى الغطاء. يسمح هذا المسمار بإزالة الغطاء بسهولة أكبر من الحجرة.
7. مرر حوامل البطاريات الأربعة عبر منزلق أسلاك البطارية ثم عبر الغطاء. تأكد من أن كل ألسنة حامل البطارية في وضع التشغيل (ON).
8. أضف السيليكون إلى جميع فتحات الأسلاك التي تدخل الغطاء ودعها تتماسك.
  ملاحظة: يجب التخلص من أي نفايات كيميائية تنتج خلال هذا الإجراء وفقا لإرشادات المصنعين وأوراق بيانات سلامة المواد.
تجميع الإلكترونيات
تحذير: مخاطر كهربائية. يجب أن يتم تنفيذ جميع الأعمال الكهربائية بواسطة محترف مدرب.
1. قم بتوصيل جميع الأسلاك في الشكل 2 باستثناء وحدات الكهرباء الحرارية ومراوح 12 فولت. سيتم ربط هذه لاحقا.
2. لحام خطوط 12 فولت والأرضي إلى مزود الطاقة إلى الموصل ذو السلكين.
  تحذير: تشمل مخاطر اللحام الإصابات الحرارية ومخاطر الاستنشاق. يجب أن يتم العمل فقط بواسطة محترف مدرب في منطقة جيدة التهوية.
تجميع الغرفة
1. أنشئ الحشوات أولا عن طريق قطع مادة الحشية باستخدام أداة قطع وأداة التغليف (Gasket Jig.stl) لصنع اثنين من الجاسكيت. اضغط ضغطا خفيفا لتجنب سحب الحشية من تحت القالب وقطع القطعة بشكل زائد.
2. ضع حشية في أحد الجيوب الجانبية للغرفة الرئيسية بحيث تكون مسطحة داخل الجيب.
3. ضع أسلاك الوحدة الحرارية الكهربائية عبر الفتحات الجانبية في الحجرة الرئيسية بحيث يكون الجانب المررقم (البارد) من الوحدات الحرارية الكهربائية مواجها داخل الغرفة.
4. ضع طبقة رقيقة ولكن كاملة من الشحم الحراري على الجانب الحراري غير المرقم (الساخن).
5. ضع حلقة رقيقة من السيليكون على الحجرة خارج وحدة الكهرباء الحرارية.
6. ضع مشتت حراري بعناية فوق الحجرة الرئيسية. ثبت براغي غطاء بقياس 1/4"-20 × 1" في مشتتات الحرارة داخل الحجرة الرئيسية لضغط السيليكون. هذا سيشكل ختما محكما. أزل أي سيليكون زائد.
7. كرر ذلك على الجانبين. انتظر حتى يتصلب السيليكون.
8. غط الجزء السفلي من جوانب غطاء الحجرة بطبقة رقيقة من شحم التفريغ وادخله داخل الحجرة.
9. قم بإدخال مجمع الترموكوبل لتسجيل البيانات وثنائي الحرارة الخاص بوحدة تحكم تشغيل/إيقاف في فتحاتهما الخاصة بجانب الغرفة.
10. أضف السيليكون إلى جميع فتحات الأسلاك التي تدخل الحجرة واترك التثبيت جيدا.
11. ضع المروحتين 12 فولت على جانبي مشتتات الحرارة، موجهة للنفخ في المبددات الحرارية. استخدم ثلاثة أربطة طويلة لتثبيت المراوح كما هو موضح في الشكل 1B.
تجميع القواعد والأسلاك
1. قم بتثبيت Switch Mount.stl و Protoboard Mount.stl في الملف التكميلي 1 على مطبوعات مشبك مشتت الحرارة باستخدام الغراء الفوري.
  تحذير: خطر كيميائي. استخدم جميع المواد الكيميائية كما يطلب منها المصنع.
2. قم بتثبيت القواعد على الصف العلوي من مشتتات الحرارة. ضع البروتوبورد، مفتاح التشغيل/الإيقاف، وحدة التحكم، والمواد العازلة في مواقعها على الحوامل. تأكد من أن مفتاح التشغيل/الإيقاف مثبت في وضعية التثبيت باستخدام شريط لاصق مزدوج الوجه. استخدم قطعة من البلاستيك الزجاجي أو أي مادة عازلة أخرى وادخلها في Protoboard Mount.stl فوق البروتوبورد للمساعدة في منع قصر كهربائي عرضي.
3. باستخدام مجموعة التجعيد الذكر/الأنثى، قم بتثبيت الموصلات الذكرية على أسلاك كل حامل بطارية. استخدم أسلاك وموصلات أسلاك بقياس 22 AWG لتوصيل الأسلاك إلى الأماكن التي تحتاجها. ينصح باستخدام كماشة ذات أنف إبري لتثبيتها على الجانب الذكري عند فصل هذه الموصلات لمنع الضغط الزائد على الأسلاك نفسها.
4. استخدم نسخ Wireing Station Bottom وTop.stl ثلاثية الأبعاد (الملف التكميلي 1) لتنظيم الأسلاك.
5. استخدم موصلات البستوني وطباعة السلك إلى Alligator Converter.stl ثلاثية الأبعاد (ملف تكميلي 1) للسماح باتصال شبيه بالتمساح بالخلايا.
التجمع النهائي
1. بعد تنظيم الأسلاك، قم بلحام الوصلات الخاصة بالوحدات الحرارية الكهربائية ومراوح 12 فولت. الغرفة الآن مجهزة بالكامل.

figure-protocol-1
الشكل 2: مخطط الدائرة الكهربائية للدائرة التي تتحكم في نظام تبريد الحجرة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

2. استخدام الحجرة

السيطرة على الغرفة
1. لتبريد الحجرة إلى درجة الحرارة المناسبة، قم بإيقاف تشغيل الوحدات الحرارية الكهربائية باستخدام مفتاح التشغيل والإيقاف اليدوي. اتصل بمزود الطاقة.
2. اضبط وحدة التحكم على وضع التبريد. اضبط درجة الحرارة المطلوبة إلى 0 درجة مئوية وفرق التشغيل على 0.1 درجة مئوية. اضبط نطاق درجات الحرارة من -55 °م إلى 24°م لمنع ارتفاع درجة الحرارة الشديد أو التبريد الزائد في الحالات الشاذة.
  ملاحظة: قم بضبط درجة حرارة الثلاجة لتكون أكثر دفئا قليلا (~2 درجة مئوية) من درجة الحرارة المطلوبة. يجب أن تكون درجة حرارة الثلاجة أعلى من درجة الحرارة المطلوبة لوحدة التحكم في التشغيل والإيقاف للحفاظ على درجة الحرارة المطلوبة، لكن لا يمكن أن تكون درجة الحرارة دافئة جدا، وإلا فلن تتمكن وحدات التوك الحراري من الوصول إلى درجة الحرارة المطلوبة.
درجة حرارة القطع
1. قم بتوصيل الترموكابل الخاص بتسجيل البيانات بمقياس الحرارة وضع الحجرة في الثلاجة.
2. اضبط مقياس الحرارة ليبقى يعمل إلى أجل غير مسمى وسجل درجة الحرارة كل بضع ثوان لمدة 24 ساعة.
  ملاحظة: إذا كانت تعمل بشكل صحيح، يجب ألا تتغير درجة حرارة الحجرة عن ± 1 درجة مئوية.
3. عندما تكون جاهزا لبدء التبريد، قم بتشغيل مفتاح التشغيل وإيقاف اليدوي. الحجرة الآن جاهزة للاستخدام.
فتح الحجرة وإضافة بطارية
ملاحظة: إذا كانت البطاريات تقاس بنشاط، يجب إجراء تغييرات سريعة في العينات لمنع التغيرات الكبيرة في درجات الحرارة وتقليل التكثف على البطاريات. أثناء العمل على الغطاء الرئيسي، يمكن طباعة غطاء مؤقت ثلاثي الأبعاد ليحل محل الغطاء الرئيسي أثناء تغييرات العينة باستخدام Temp Lid.stl الموجود في الملف التكميلي 3.
1. لفتح الحجرة لإضافة أو إزالة البطاريات، ضع مفك براغي على الجانب السفلي من مسمار الغطاء. باستخدام الحافة الخارجية كنقطة ارتكاز، اضغط على مقبض المفك للأسفل للأسفل. بمجرد أن يصبح الغطاء مرتخيا، قم بسحبه يدويا وضعه على سطح مستو أو استخدم Lid Holder.stl الموجود في الملف الإضافي 3 لطباعة حامل الغطاء ثلاثية الأبعاد. استبدل غطاء الحجرة بالغطاء المؤقت.
2. افتح حوامل البطارية ليتم استبدالها وضع خلية العملات داخل الحامل.
3. أزل الغطاء المؤقت ثم عبوة جل السيليكا داخل الحجرة. امسح أي رطوبة بقطعة قماش وأعد كيس جل السيليكا في الحجرة للمساعدة في امتصاص أي رطوبة إضافية.
4. أعد الغطاء الرئيسي وأعيد الحجرة إلى الثلاجة.
  ملاحظة: قد يستغرق الأمر حتى ساعتين لإعادة توازن درجة الحرارة داخل الحجرة.
ركوب الأوبراندو في درجة حرارة منخفضة
1. قم بإجراء تجارب التدوير بمجرد الوصول إلى درجة الحرارة المطلوبة.
2. استمر في تسجيل درجة الحرارة لضمان بقاء الحجرة عند درجة الحرارة المطلوبة.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم اختبار أداء الغرفة بثلاث طرق: (1) قياس تدرجات الحرارة عبر الحجرة، (2) مراقبة درجة الحرارة خلال فترة 24 ساعة بعد البناء الأولي و168 ساعة بعد 7 أشهر من الاستخدام، و(3) جمع بيانات الدورة لخلايا عملات بطارية الليثيوم أيون على مدى 100 دورة أو ~3 أشهر. تظهر هذه النتائج، التي ستناقش أدناه، أن الحجرة قادرة على الحفاظ على درجة حرارة ثابتة لعدة أشهر مع متوسط تغير في درجة الحرارة أقل من 0.75 درجة مئوية، مما ينتج عنه بيانات دورة كهروكيميائية متسقة.

figure-results-1
الشكل 3: الاعتماد ثلاثي الأبعاد على درجة الحرارة لغرفة البرودة. طائرة YZ هي الطائرة الموضحة في الشكل 1. تم بناء مسجل بيانات درجة حرارة مخصص ذو محورين يمكن استخدامه داخل الثلاجة الصغيرة. تمثل كل نقطة بيانات قياسا فريدا لدرجة الحرارة، مما يؤدي إلى تغير إجمالي في درجة الحرارة في جميع أنحاء الحجرة يبلغ ± 0.4 درجة مئوية. يقدم وصف إضافي لجمع البيانات وتحليلها في الملف التكميلي 2. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

تدرج درجة الحرارة:
كان تغير درجة الحرارة في جميع أنحاء الحجرة متسقا نسبيا ولم يتغير إلا ± 0.4 درجة مئوية، كما هو موضح في الشكل 3. أظهر التغير حجما أكثر دفئا قليلا أقرب إلى الوحدة الحرارية الكهربائية اليمنى، وقد يكون ذلك بسبب التغير في الوحدات نفسها أو كمية الطاقة التي تنقل لكل منهما.

كان سطح الوحدات الحرارية الكهربائية أبرد باستمرار بعدة درجات من الهواء القريب منها، لذا كان من المهم ضمان عدم ملامسة حوامل البطاريات للوحدات لإدارة درجة الحرارة بدقة. استخدام دليل محاذاة حامل البطارية قلل من احتمالية التلامس بين الحوامل والوحدات.

figure-results-2
الشكل 4: تغير درجة الحرارة مع مرور الوقت. (أ) يظهر توزيع درجة الحرارة الأولي بعد البناء بفترة وجيزة تغيرا ± 0.13 درجة مئوية عند قياسه كل 10 ثوان خلال فترة 24 ساعة. (ب) بعد 7 أشهر من الاستخدام، تم قياس توزيع درجة الحرارة كل 10 ثوان على مدى أسبوع واحد، مما أدى إلى تغير ± 0.75 درجة مئوية في يوم الصباح. مزيد من المعلومات حول جمع البيانات هذا والتنعم الغاوسي موفر في الملف التكميلي 2. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

مراقبة درجة الحرارة:
تم قياس متوسط تغير درجة الحرارة كل 10 ثوان لمدة 168 ساعة بعد 7 أشهر من الاستخدام، ويمكن رؤيته مستقرا خلال تلك الفترة في الشكل 4. الطبيعة الشبيهة بالكتلة للبيانات في الشكل 4B على الأرجح تعود إلى التذبذبات السريعة في درجة الحرارة. يمكن استخدام طريقة تحكم أكثر تطورا لتقليل هذه التذبذبات إذا لزم الأمر. تغير متوسط درجة الحرارة في البداية بمقدار ± 0.13 درجة مئوية، كما هو موضح في الشكل 4A، لكنه ارتفع خلال فترة 7 أشهر إلى ± 0.75 درجة مئوية كما هو موضح في الشكل 4B. قد يكون هذا علامة على أن الحجرة تصبح أكثر عدم استقرار مع مرور الوقت، لكنه قد يكون أيضا بسبب عوامل أخرى، مثل ارتفاع درجة حرارة المختبر المحيطة. ومع ذلك، فإن استقرار درجة الحرارة مع مرور الوقت مهم، وهذا المستوى من التحكم في درجة الحرارة يكون كافيا عموما لمعظم فحوصات البطاريات ذات درجات الحرارة المنخفضة. تفاصيل إضافية حول توصيف درجة الحرارة داخل الحجرة موفرة في الملف التكميلي 2.

figure-results-3
الشكل 5: تطور سعة البطارية على مدى 100 دورة. (أ) تدوير البيانات باستخدام نظام حمام دوار للتحكم في درجة الحرارة. لوحظت تباينات كبيرة في السعة بسبب تقلبات درجة الحرارة ومشاكل التآكل الناتجة عن التكثف على البطاريات. (ب) تدوير البيانات باستخدام غرفة منخفضة الحرارة المخصصة المعروضة في هذه الورقة، مع إظهار ضوضاء أقل بكثير. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

بيانات الدورة الكهروكيميائية:
لاختبار أداء الحجرة في الحفاظ على درجة الحرارة أثناء اختبار البطارية، أجريت اختبارات دورة الجلفانوستاتيك على أربع بطاريات خلايا ليثيوم أيون 2032 متوفرة تجاريا. تم تدوير هذه الخلايا المعدنية عند 0 ± 1 درجة مئوية بمعدل C/7 لمدة 100 دورة، استغرقت ~3 أشهر. تظهر النتائج في الشكل 5B. تتم مقارنة هذه البيانات بجيل سابق من غرف درجة الحرارة، الذي استخدم غرفة ألمنيوم معزولة بالستايروفوم مع حمام دائري يحتوي على محلول مضاد للتجمد. أدت طريقة الحمام الدائري إلى انحرافات كبيرة في سعات الخلايا المقاسة، كما لوحظ في الشكل 5A، وأدت إلى تآكل خلايا البطارية أثناء الدورة المتكررة. يظهر التصميم الجديد للغرفة المبلغ عنه هنا تحسنا كبيرا في سعات الخلايا المقاسة، مع تحسن في استقرار درجة الحرارة، وغياب تآكل الخلية، وانخفاض كبير في الضوضاء في البيانات.

يتم الإشارة إلى التشغيل السليم للغرفة من خلال الحفاظ على درجة الحرارة الثابتة مع تقلبات طفيفة فقط، وبيانات كهروكيميائية خالية من التغيرات المفسرة أو المفاجئة مثل الفولتية المتقلبة، أو الزيادات والانخفاضات المفاجئة في سعة الخلية. بعد تجميع الحجرة وتشغيلها لأول مرة، ينصح بتسجيل درجة الحرارة داخل الحجرة لمدة 24 ساعة إلى عدة أيام لضمان عدم حدوث زيادة أو انخفاض تدريجي في درجة الحرارة يشير إلى الحاجة إلى تعديل إعدادات الثلاجة لتحسين تبديد الحرارة.

الملف الإضافي 1: ملفات STL للطباعة ثلاثية الأبعاد. تشمل الملفات ملفات Gasket Jig.stl، Heat Sink Clamp.stl، On-off Mount.stl، Protoboard Mount.stl، محول الأسلاك إلى التمساح. stl، محطة الأسلاك Bottom.stl، محطة الأسلاك top.stl، Chamber.stl، وChamber Lid.stl. يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

الملف التكميلي 2: تعليمات الطباعة وتوصيف درجة الحرارة. يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

الملف الإضافي 3: ملفات STL للطباعة ثلاثية الأبعاد للغطاء الرئيسي وحامل الغطاء. يرجى الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

خطوات حاسمة:
هناك عدة خطوات في البروتوكول ضرورية لضمان الأداء الصحيح لغرفة التبريد. يجب توخي الحذر مع توصيلات الأسلاك لأنها ضرورية لعمل الدوائر بشكل صحيح وضمان جمع بيانات دقيق. يمكن أن تؤدي توصيلات الأسلاك المعيبة إلى قراءات جهد غير منتظمة ويمكن تجنبها باستخدام مقياس فولتمتر لاختبار توصيلات الأسلاك قبل وضع خلايا العملات في الحجرة.

يجب تجنب تسربات الهواء لأنها تسمح بدخول رطوبة إضافية إلى الحجرة، مما قد يتكثف على الخلايا ويسبب التآكل. سيساعد التشغيل الدقيق للغطاء والثقوب الأخرى، بالإضافة إلى الختم الدقيق باستخدام مادة الحشية والشحم، في ضمان موثوقية وأداء الحجرة على المدى الطويل. إذا لم تكن الحجرة محكمة الإغلاق، فقد يؤدي التكثف على الخلايا إلى تآكل عادة ما يشير إلى أداء الخلية غير المنتظم، مثل الزيادات أو الانخفاض المفاجئ في سعة الخلية، وعند إزالة الخلايا من حوامل الخلايا، قد تبدو وكأنها تتسرب أو تغير لونها.

أخيرا، التأكد من معايرة التوازن الحراري المستخدم لتسجيل البيانات بدقة ووضعه بشكل صحيح قبل إغلاقه داخل الحجرة أمر مهم لتسجيل أداء درجة حرارة الغرفة بشكل موثوق.

التعديلات:
بينما تم تصميم هذه الغرفة تحديدا لتجارب خلايا العملة لعام 2032 عند 0 درجة مئوية، يمكن تعديل هذا التصميم العام وتحسينه لمجموعة واسعة من التجارب التي لها متطلبات بيئية متشابهة. يمكن بسهولة استبدال حاملات خلايا العملات لخلايا 2032 بتلك الخاصة بخلايا عملات مختلفة. يمكن أيضا استيعاب هندسة البطاريات المختلفة (مثل الأسطوانية، الجيوب) بتغيير حوامل البطارية، لكنها قد تتطلب زيادة أبعاد الحجرة. يمكن أن تكون الغرفة قادرة على الوصول إلى درجات حرارة أقل عن طريق زيادة القدرة إلى وحدات الكهرومغناطيسية الحرارية إلى أكثر من 12 فولت. الوحدات الحرارية الكهربائية المستخدمة في هذا التصميم مصنفة لتوفير التبريد حتى -40 درجة مئوية. ومع ذلك، سيكون من الضروري تحسين تبديد الحرارة، بالإضافة إلى اختبارات لتقييم تدرجات الحرارة داخل الحجرة وضمان التشغيل السليم لجميع المكونات عند هذه الدرجة المنخفضة. يمكن استخدام لوحة دوائر مطبوعة لتسجيل البيانات والتحكم في الوحدات الحرارية الكهربائية لإزالة الحاجة إلى زوجين حراريين. وأخيرا، إذا كانت الحجرة تستخدم بشكل أساسي للتحكم في الرطوبة ولم يكن التحكم الدقيق في درجة الحرارة مصدر قلق، يمكن استخدام تصميم الغطاء والحجرة بدون الوحدات الحرارية الكهربائية، ونظام التحكم، وأجزاء تبديد الحرارة.

استكشاف المشكلة:
نظرا لتصميم التصميم، يجب أن تكون معظم المشاكل المحتملة التي تواجه سهلة الإصلاح نسبيا. تآكل البطاريات يشير على الأرجح إلى تسرب هواء، ويجب أن يكون الإجراء الأول ضده هو التأكد من إغلاق جميع الفتحات. بيانات تدوير البطارية المزعجة غالبا تشير إلى مشكلة في الأسلاك أو ضعف التلامس المادي مع حوامل البطاريات ويمكن إصلاحها بتحسين التوصيلات. كما يمكن أن يكون ذلك علامة على تكون التكثف على الخلايا، مما قد يؤدي إلى التآكل، لذا يجب فحص النظام أيضا للتأكد من أنه محكم الإغلاق بالكامل. عدم القدرة على تحقيق درجة الحرارة المطلوبة قد يكون بسبب عوامل عديدة، مثل عدم تطبيق الشحم الحراري بشكل غير صحيح، أو محاولة تحقيق درجة حرارة مرغوبة خارج نطاق الوحدات الحرارية، أو عدم توفر تيار وجهد كافيين للوحدات، أو تبديد الحرارة غير الفعال.

القيود:
أحد القيود الرئيسية في تصميم هذه الغرفة هو الحاجة إلى سحب جميع البطاريات الأربع لمعالجة أي منها. وهذا يسبب تعرض جميع البطاريات الأربع لبيئات أخرى عندما تحتاج إلى إخراج أي منها. من الصعب التخفيف من هذه المشكلة في التصميم الحالي. قيد آخر هو أنه إذا فقدت الطاقة في الوحدات الحرارية، ترتفع درجة الحرارة في الحجرة بسرعة. لذا، فإن ضمان عدم فقدان الطاقة للوحدات أمر بالغ الأهمية. استخدام مصدر طاقة غير منقطع و/أو مولد احتياطي لمنع التغيرات غير المرغوب فيها في درجات الحرارة قد يكون مفيدا إذا كانت انقطاعات الكهرباء مصدر قلق.

الأهمية:
تستمر البطاريات في المعاناة من انخفاض كبير في الأداء عند درجات الحرارة المنخفضة، مما يجعل من المهم بشكل متزايد جهود البحث الجديدة في هذه المشكلة. تم تصميم غرفة درجة الحرارة هذا خصيصا لتشغيل بطاريات خلية النقود 2032 على درجة حرارة منخفضة مع الحد من التكثف والتآكل. هدف رئيسي آخر كان إنتاج تصميم فعال من حيث التكلفة وسهل التجميع. البدائل التجارية المصممة خصيصا لهذا التصميم عادة ما تكون مكلفة، والخيارات منخفضة التكلفة الأخرى، مثل استخدام ثلاجة قياسية، لا تمنع التكثف تماما وقد تظهر تباينا متزايدا في درجات الحرارة ^2,3,14. لذلك، يمكن أن يكون هذا التصميم خيارا منخفض التكلفة وسريع التنفيذ للباحثين الذين يرغبون في إجراء دراسات لتدوير البطاريات في درجات حرارة منخفضة دون الضغط على ميزانيات أبحاثهم.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

لا يوجد لدى المؤلفين تضارب مصالح للكشف عنها.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يرغب المؤلفون في شكر جي. جونسون، قسم الهندسة في كلية سوارثمور، على مساعدته في التشغيل الأولي للغرفة. وقد دعم هذا العمل منحة المؤسسة الوطنية للعلوم رقم 2430817.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسم	الشركة	رقم فهرسي	التعليقات
مسامير غطاء بحجم 1/4"-20 × 1"	غراينجر	4XE35	نحتاج 9؛ 8 لمشتتات الحرارة، و1 للغطاء
مراوح 12 V	ديجيكي	2223-CFM-9225C-130-356-ND	الحاجة 2؛ يستخدم لتدوير الهواء إلى مشتتات الحرارة
من التيار المتردد إلى موصل 12 فولت 10 أمبير	ديجيكي	AD-EL-1201200-Z	تحويل الجدار للطاقة
راتنج الأسيتال	ماكماستر	8575K148	المخزون 1.5" × 6" × 6"
حاملات البطاريات	ديجيكي	36-1086-ND	الحاجة 4؛ 2 إضافية
منزلق أسلاك البطارية	لا يوجد	لا يوجد	طباعة ثلاثية الأبعاد من جيش التحرير الشعبي
ثنبول حراري لتسجيل البيانات	إكس تك	872501-S	يمكن استبدال الثنائي الحراري المفضل
مجلس تطوير الإلكترونيات	أدافروت	3000	انظر الملف التكميلي 2
نظام تسجيل التيميبراتور الإلكتروني	أردوينو	A000066	انظر الملف التكميلي 2
الثلاجة	الشيف السحري	MCR170BE	يمكن استبدال ثلاجة قياسية
جيج الحشية	لا يوجد	لا يوجد	طباعة ثلاثية الأبعاد من جيش التحرير الشعبي
مادة الحشية	ماكماستر-كار		5542N125
مبرد الحرارة	ديجيكي	345-127709-ND	الحاجة 1؛ مقطعة إلى مشتتتين حراريتين
مشبك مشتت الحرارة	لا يوجد	لا يوجد	طباعة ثلاثية الأبعاد من جيش التحرير الشعبي
الغراء الفوري	لوكتايت	234790	المعروف أيضا باسم السوبر غلو
حامل الغطاء	لا يوجد	لا يوجد	طباعة ثلاثية الأبعاد من جيش التحرير الشعبي
ربطة عنق طويلة	ديجيكي	2162-AL-14-50-0-C-ND	حزمة من 100، أحتاج 4 أو أقل
مجموعة التثبيت الذكر/الأنثى	فأر	474-PRT-10501	أحتاج 8، ويجب أن تحصل على 4 احتياطيات أيضا
جهاز التحكم تشغيل/إيقاف	أمازون	7.38587E+11	حزمة من شخصين
مزود الطاقة لموصل السلكين	ديجيكي	CP-024A-ND	نحتاج 1
البروتوبورد	أدافروت	1609	نحتاج 1
تركيب البروتوبورد	لا يوجد	لا يوجد	طباعة ثلاثية الأبعاد من جيش التحرير الشعبي
ربطة بلاستيكي قصيرة	ساوثواير	BL4M2-C	حزمة من 100
جل السيليكا	ماكماستر	2189K14	يستخدم لامتصاص أي رطوبة إضافية
السيليكون	لوكتايت	908570	تحتاج إلى القليل جدا
موصلات السبيد	ماكماستر	7060K79	أحتاج 8، يجب أن تحصل على احتياطيات
سلك 22 AWG متسلسلة	أدافروت	3175	يمكن استبدال الأسلاك المفضلة
قاعدة المفتاح	لا يوجد	لا يوجد	طباعة ثلاثية الأبعاد من جيش التحرير الشعبي
غطاء مؤقت	لا يوجد	لا يوجد	طباعة ثلاثية الأبعاد من جيش التحرير الشعبي
الشحوم الحرارية	ويكفيلد	120-5	تحتاج إلى القليل جدا
الوحدات الحرارية الكهربائية	ديجي كي	102-1682-ND	الحاجة 2؛ المنتج المصنع #: CP85438
مقياس الحرارة	إكس تك	EA15	يمكن استبدال مقياس حرارة مفضل
شحم الفراغ	دوبونت	2708493	تحتاج إلى القليل جدا
محول السلك إلى التمساح	لا يوجد	لا يوجد	طباعة ثلاثية الأبعاد من جيش التحرير الشعبي
أسفل محطة الأسلاك	لا يوجد	لا يوجد	طباعة ثلاثية الأبعاد من جيش التحرير الشعبي
قمة محطة الأسلاك	لا يوجد	لا يوجد	طباعة ثلاثية الأبعاد من جيش التحرير الشعبي

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Rodrigues, M. -T. F., et al. A materials perspective on Li-ion batteries at extreme temperatures. Nat Energy. 2 (8), 17108(2017).
Chen, Q., Yang, Z., Zhai, P., Luo, W., Gong, Y. Lithium batteries operating at wide temperatures: opportunities and challenges. Adv Funct Mater. 35 (13), 2417923(2025).
Zhang, N., et al. Critical review on low-temperature Li-ion/metal batteries. Adv Mater. 34 (15), 2107899(2022).
Gupta, A., Manthiram, A. Designing advanced lithium-based batteries for low-temperature conditions. Adv Energy Mater. 10 (38), 2001972(2020).
Hou, J., Yang, M., Wang, D., Zhang, J. Fundamentals and challenges of lithium ion batteries at temperatures between -40 and 60°C. Adv Energy Mater. 10 (18), 1904152(2020).
Adams, R. A., Varma, A., Pol, V. G. Temperature dependent electrochemical performance of graphite anodes for K-ion and Li-ion batteries. J Power Sources. 410 - 411 (1), 124-131 (2019).
Yaqub, A., et al. Low temperature performance of graphite and LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 electrodes in Li-ion batteries. J Mater Sci. 49 (22), 7707-7714 (2014).
Luo, H., et al. Lithium-ion batteries under low-temperature environment: challenges and prospects. Materials. 15 (22), 8166(2022).
Senyshyn, A., Mühlbauer, M. J., Dolotko, O., Ehrenberg, H. Low-temperature performance of Li-ion batteries: the behavior of lithiated graphite. J Power Sources. 282 (1), 235-240 (2015).
Liao, L., et al. Effects of temperature on charge/discharge behaviors of LiFePO4 cathode for Li-ion batteries. Electrochim Acta. 60 (1), 269-273 (2012).
Jaguemont, J., Boulon, L., Dubé, Y. A comprehensive review of lithium-ion batteries used in hybrid and electric vehicles at cold temperatures. Appl Energy. 164 (1), 99-114 (2016).
Senol, M., Bayram, I. S., Naderi, Y., Galloway, S. Electric vehicles under low temperatures: a review on battery performance, charging needs, and power grid impacts. IEEE Access. 11 (1), 39879-39912 (2023).
Xu, J., et al. Extending the low temperature operational limit of Li-ion battery to -80°C. Energy Storage Mater. 23 (1), 383-389 (2019).
Kim, W. -K., et al. Water condensation in traction battery systems. Energies. 12 (6), 1171(2019).

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

تصميم غرفة بطارية خلايا العملة لتجارب الأوبراندو منخفضة الحرارة

في هذه المقالة

ملخص

الملخص

المقدمة

البروتوكول

النتائج

المناقشة

الإفصاحات

شكر وتقدير

المواد

المراجع

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

مقالات ذات صلة