用于低温原位实验的纽扣电池腔室设计

随着全球电气化程度不断提高，电池在为各类设备供电方面发挥着关键作用。从驱动电动汽车到为电网级可再生能源提供储能，开发能够在多种气候条件下保持高性能的电池正变得愈发重要。在寒冷环境条件下，电池性能通常会下降，因此亟需加强对低温环境下电池性能的研究。

然而，市面上可购买的低温电池循环测试设备通常价格昂贵，导致不专注于非环境条件实验的研究机构难以开展此类研究。本文报道了一种简单且具有成本效益的温控箱设计方案，该设计易于组装且可快速投入使用，有助于推动更多低温电池相关研究的开展。该设计可在低湿度环境中为四个2032型纽扣电池提供稳定的温度控制，从而减少腐蚀和冷凝问题。

在本方案中，我们将介绍制造腔室的主要步骤，然后演示如何使用该腔室。完整文本中提供了更多说明。首先，使用 PLA 材料3D打印所有补充的 STL 文件，但腔室和腔室盖的文件除外。

其次，将乙酸酮树脂块加工至指定尺寸。我们使用数控或手动铣床加工主腔室和盖板，具体结构可参见腔室及腔室盖板的补充文件。同时，根据孔位布局文件，将散热片切割至所需尺寸，并钻出通孔。

现在您应该已备齐所有需要机械加工的部件。将四个电池盒依次穿过电池布线滑槽，然后穿过盖子。确保每个电池盒的开关均处于“开启”位置。

除热电模块和12伏风扇外，连接图2中的所有线路。这些部件将在后续步骤中连接。将12伏电源线和接地线焊接到电源的2线连接器上。

首先使用切割工具和垫片夹具切割垫片材料，制作两个垫片。施加轻微压力，以避免将垫片从夹具下方拉出或过度切割。将垫片放入主腔体的其中一个侧面口袋中，确保其平整地置于口袋内。

将热电模块的导线穿过主腔体侧面的孔，使热电模块标有数字的冷面朝向腔体内部。在热电模块未标数字的热面均匀涂抹一层薄而完整的导热硅脂。在热电模块外侧的腔体上涂抹一圈薄层硅胶。

将散热片小心地放置在主腔室顶部。用螺丝将散热片固定到主腔室上，以压紧硅胶。这将形成一个气密密封。

去除多余的硅脂。两侧均需重复此操作。将盖板和热电偶插入腔室后，在散热片两侧各放置一个 12 伏风扇。

将其朝向散热片，使用三条长扎带将风扇固定到位。用瞬间胶将开关安装座和原型板安装座粘附到散热片夹具的打印件上。

将支架滑入散热片的顶排。将原型板、开关、控制器和绝缘材料放置在支架上的相应位置。整理导线后，焊接热电模块和12伏风扇的连接。

此时，腔室已完全组装完毕。要将腔室冷却至适当温度，请使用手动开关关闭热电模块，并将控制器设置为制冷模式。

将目标温度设为 0 摄氏度，关闭温差设为 0.1 摄氏度。将温度范围设为负 55 至 24 摄氏度，以防止在异常情况下发生极端过热或过冷。连接数据记录热电偶至温度计并将腔室放入冰箱后，重新打开电源开关。

此时，腔室已准备就绪，可供使用。若需打开腔室以添加或取出电池，请将螺丝刀置于盖子螺栓的下方。以螺栓外缘作为支点，向下按压螺丝刀手柄。

当盖子松动后，用手将其取出，并平放在平整的表面上或提供的3D打印盖子支架中，然后换上临时盖子。打开需要更换的电池仓，将纽扣电池放入仓内。取下临时盖子，然后取出腔体内的硅胶包。

用布擦去任何水分，并将硅胶干燥包放回腔室内，以吸收多余的湿气。重新盖上主盖。腔室内部温度可能需要长达两个小时才能重新达到平衡。

为了评估该腔室维持 0 摄氏度恒温的可靠性，我们通过三种方式测试了其性能。首先，我们使用自动温度数据记录仪测量腔室内的温度梯度。整个腔室的温度变化保持一致，仅波动了 4 摄氏度。

其次，在一天的时间内监测了新组装腔室的温度稳定性，其温度波动为13摄氏度。为测试长期性能，在使用该设备七个月后，进行了一周的测量，结果显示温度波动略有降低，为75摄氏度。最后，对四个锂离子2032纽扣电池进行了为期三个月、共100次的循环测试。

循环数据表明，在本实验过程中性能稳定且噪声较低。这些结果证明，该腔室能够维持恒定温度，从而可靠地进行低温电化学循环实验。本文展示了一种简单的设计方案，可在低湿度环境中实现对2032型纽扣电池经济高效的低温循环测试。

性能测试表明，该设备在温度变化小于1摄氏度的情况下，表现出可靠的长期性能。