Münzzellen-Batteriekammer-Design für Niedertemperatur-Operando-Experimente

Da die Welt zunehmend elektrifiziert wird, spielen Batterien eine Schlüsselrolle bei der Energieversorgung unserer Geräte. Von der Energieversorgung unserer Elektrofahrzeuge bis hin zur Energiespeicherung für erneuerbare Energiequellen auf Netzniveau wird es immer wichtiger, Batterien zu entwickeln, die in einer Vielzahl von Klimazonen hohe Leistung bieten. Die Batterieleistung ist in kalten Wetterumgebungen oft reduziert, was mehr Forschung auf Untersuchungen von Niedrigtemperaturbatterien erfordert.

Kommerziell erhältliche Niedrigtemperatur-Batterie-Cycle-Geräte sind jedoch meist teuer, was verhindert, dass diese Studien in Forschungseinrichtungen durchgeführt werden können, die sich nicht auf nicht-umgebende Experimente konzentrieren. Wir berichten hier über ein einfaches, kostengünstiges Temperaturkammerdesign, das leicht zusammenzubauen und schnell umzusetzen ist, sodass weitere Forschungen zu niedrigen Temperaturbatterien möglich sind. Dieses Design ermöglicht eine zuverlässige Temperatur von vier 2032-Münzzellen in niedriger Luftfeuchtigkeit, um Korrosions- und Kondensationsprobleme zu reduzieren.

In diesem Protokoll werden wir die wichtigsten Schritte zur Herstellung der Kammer durchgehen, bevor wir demonstrieren, wie die Kammer verwendet wird. Zusätzliche Anweisungen sind im vollständigen Text enthalten. Zuerst 3D-drucke alle ergänzenden STL-Dateien außer der Kammer- und Kammerdeckel-Dateien mit PLA.

Zweitens: Mahlen Sie den Acetolharzblock auf die angegebenen Maße. Wir verwenden eine CNC- oder manuelle Fräsmaschine, um die Hauptkammer und den Deckel als ergänzende Dateien zur Kammer und Deckel zu erstellen. Schneide außerdem die Kühlkörper auf Größenordnung und bohre Durchbohrlöcher entsprechend der Loch-Layout-Datei.

Du solltest jetzt alle Teile haben, die eine Werkstatt benötigen. Schieben Sie die vier Batteriehalter durch den Batterieverdrahtungsschieber und dann durch den Deckel. Stellen Sie sicher, dass jeder der Batteriehalter-Laschen in der eingeschalteten Position ist.

Verbinden Sie alle Verkabelungen in Abbildung 2 außer den thermoelektrischen Modulen und den 12-Volt-Lüftern. Diese werden später verbunden. Löten Sie die 12-Volt- und Erdungsleitungen an das Netzteil an einen 2-Adrig-Stecker.

Stellen Sie die Dichtungen her, indem Sie zuerst das Dichtungsmaterial mit einem Schneidwerkzeug und der Dichtungsvorrichtung schneiden, um zwei Dichtungen herzustellen. Üben Sie leichten Druck aus, um zu vermeiden, dass die Dichtung unter der Vorrichtung hervorgezogen wird und zu stark schneidet. Setzen Sie die Dichtung in eine der Seitentaschen der Hauptkammer, sodass sie flach in der Tasche liegt.

Führen Sie die thermoelektrischen Moduldrähte durch die Seitenlöcher in der Hauptkammer, wobei die nummerierte Kaltseite der thermoelektrischen Module in die Kammer zeigt. Trage eine dünne, aber vollständige Schicht thermisches Fett auf die thermoelektrische, nicht nummerierte heiße Seite auf. Tragen Sie einen dünnen Silikonring auf die Kammer außerhalb des thermoelektrischen Moduls auf.

Setzen Sie vorsichtig einen Kühlkörper auf die Hauptkammer. Schraube die Kühlkörper in die Hauptkammer, um das Silikon zusammenzupressen. Dadurch entsteht eine luftdichte Abdichtung.

Entferne überschüssiges Silikon. Wiederhole das auf beiden Seiten. Nachdem Sie den Deckel und die Thermoelemente in die Kammer geschoben haben, platzieren Sie die beiden 12-Volt-Lüfter auf beiden Seiten der Kühlkörper.

Richte ihn so aus, dass er in die Kühlkörper blast. Benutze drei lange Kabelbinder, um die Lüfter festzuziehen. Klebe die Schalterhalterung und die Protoboard-Halterung mit Instantkleber an den Drucken der Kühlkörperklemme an.

Schiebe die Halterungen auf die oberste Reihe der Kühlkörper. Platzieren Sie das Protoboard, den Ein-Aus-Schalter, den Controller und das isolierte Material an ihren jeweiligen Positionen an den Halterungen. Nachdem Sie die Drähte organisiert haben, löten Sie die Verbindungen für die thermoelektrischen Module und die 12-Volt-Lüfter.

Die Kammer ist nun vollständig zusammengebaut. Um die Kammer auf die passende Temperatur zu kühlen, schalten Sie die thermoelektrischen Module mit dem manuellen Ein-Aus-Schalter aus. Stell den Controller auf Kühlmodus ein.

Stellen Sie die gewünschte Temperatur auf 0 Grad Celsius ein und schalten Sie die Schaltdifferenz auf 0,1 Grad Celsius. Stellen Sie den Temperaturbereich auf minus 55 bis 24 Grad Celsius ein, um extreme Überhitzung oder Überkühlung unter Ausreißerbedingungen zu verhindern. Nachdem du das Datenlogging-Thermoelement mit dem Thermometer angeschlossen und die Kammer in den Kühlschrank gesetzt hast, schalte den Ein-Aus-Schalter wieder ein.

Die Kammer ist jetzt einsatzbereit. Um die Kammer zu öffnen und Batterien hinzuzufügen oder zu entfernen, setzen Sie einen Schraubenzieher auf die Unterseite des Deckelbolzens. Mit der äußeren Kante als Drehpunkt drücken Sie den Griff des Schraubenziehers nach unten.

Sobald der Deckel locker ist, ziehen Sie ihn mit der Hand heraus, legen ihn auf eine ebene Oberfläche oder in den mitgelieferten 3D-gedruckten Deckelhalter und ersetzen Sie ihn durch einen provisorischen Deckel. Öffnen Sie die Batteriehalter, die Sie austauschen möchten, und legen Sie die Münzzelle in den Halter. Entfernen Sie den provisorischen Deckel und dann das Siliziumgel-Päckchen in der Kammer.

Wischen Sie jegliche Feuchtigkeit mit einem Tuch ab und legen Sie das Silikagel-Päckchen in der Kammer zurück, um zusätzliche Feuchtigkeit besser aufzunehmen. Setze den Hauptdeckel wieder ein. Es kann bis zu zwei Stunden dauern, bis sich die Temperatur im Inneren der Kammer wieder ausgleicht.

Um die Zuverlässigkeit der Kammer für eine konstante Temperatur von 0 Grad Celsius zu beurteilen, wurde ihre Leistung auf drei Arten getestet. Zuerst nutzten wir einen automatisierten Temperaturdatenlogger, um die Temperaturgradienten in der Kammer zu messen. Die Temperaturschwankung in der gesamten Kammer war konstant und schwankte nur um 4 Grad Celsius.

Zweitens wurde die Temperaturstabilität der neu zusammengebauten Kammer über einen Zeitraum von einem einzigen Tag überwacht, wobei eine Temperaturschwankung von 13 Grad Celsius aufrechterhalten wurde. Um die Langzeitleistung zu testen, wurde nach sieben Monaten Nutzung eine einwöchige Messung durchgeführt, die eine leicht reduzierte Temperaturschwankung von 75 Grad Celsius zeigte. Schließlich wurden vier Lithium-Ionen-2032-Münzzellen 100 Mal über drei Monate durchgedreht.

Die Zyklusdaten zeigen während dieses Experiments eine konstante Leistung und geringe Störung. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Kammer eine konstante Temperatur halten kann und die elektrochemischen Zyklenexperimente bei niedrigen Temperaturen zuverlässig durchführen lässt. Wir haben hier ein einfaches Design vorgestellt, das kostengünstiges Batteriezyklieren bei niedrigen Temperaturen für 2032er Münzzellen in einer Umgebung mit niedriger Luftfeuchtigkeit ermöglicht.

Die Leistungstests zeigen, dass dieses Gerät eine zuverlässige Langzeitleistung mit Temperaturschwankungen von weniger als einem Grad Celsius zeigt.