Diseño de cámaras de pilas de moneda para experimentos de operando a baja temperatura

Resumen

Se presenta un diseño para permitir un ciclo de baterías rentable a baja temperatura para 2032 pilas moneda en un entorno de baja humedad. Las celdas se ciclan a 0 °C dentro de una cámara refrigerada por módulos termoeléctricos. Este diseño sencillo puede adaptarse para experimentos que requieran entornos similares controlados térmicamente y de humedad o diferentes geometrías de batería.

Resumen

A medida que dependemos más de las baterías recargables que alimentan nuestros dispositivos, es cada vez más importante comprender las reducciones de capacidad y rendimiento que se producen en entornos de clima frío. La investigación centrada en el rendimiento de ciclo de baterías a bajas temperaturas es esencial para guiar el diseño y la optimización de baterías avanzadas. Sin embargo, los equipos comerciales de ciclado de baterías a baja temperatura tienden a ser caros, lo que impide que se realicen investigaciones sobre ciclismo a baja temperatura en muchas instalaciones. A continuación se presenta un diseño de cámara de temperatura sencillo y económico, fácil de montar e implementar rápidamente. Este diseño permite un control fiable de la temperatura para cuatro celdas moneda 2032 en entornos de baja humedad, reduciendo así problemas de corrosión y condensación. Los datos de ciclos electroquímicos demuestran la evolución de la capacidad celular en T = 0 ± 1 °C durante 100 ciclos a una tasa C de C/7. La temperatura puede reducirse a -5 °C en el diseño actual, y pequeñas modificaciones permitirían temperaturas aún más bajas. Además, este diseño también puede adaptarse fácilmente para acomodar otros tipos de baterías o para aumentar el número de muestras medidas.

Introducción

A medida que el mundo se electrifica cada vez más, las baterías juegan un papel clave en la energización de nuestros dispositivos. Desde alimentar nuestros vehículos eléctricos hasta proporcionar almacenamiento de energía para fuentes renovables a nivel de red, cada vez es más importante desarrollar baterías que muestren un alto rendimiento en una amplia gama de^{climas 1,2}. El rendimiento de las baterías suele verse reducido en entornos fríos, lo que requiere más investigación centrada en investigaciones de baterías a baja^{temperatura 3,4}. Sin embargo, los equipos comerciales de reciclaje de baterías a baja temperatura tienden a ser caros, lo que impide que estos estudios se realicen en centros de investigación que normalmente no se centran en experimentos no ambientales.

Muchas aplicaciones de baterías solo necesitan entender el comportamiento a bajas temperaturas a temperaturas modestas que se acercan a 0 °C o ligeramente menos^{de 5}. A pesar de este rango de temperatura limitado, las baterías siguen mostrando reducciones significativas en la capacidad total, el rendimiento y las características de carga a bajas^{temperaturas 6,7}. Por ejemplo, las baterías comerciales de ion de litio solo mantienen el 10% de su capacidad a temperatura ambiente a −40 °^{C 8,9}. Todos los componentes de la célula, incluyendo cátodo, ánodo y electrolito, han documentado efectos a temperaturas no^{ambientales 6,7,10}. Este tema está cobrando cada vez más importancia debido a la reciente aparición de vehículos eléctricos y dificulta el uso de baterías recargables en países con climas invernales^{gélidos 11,12}. El rendimiento de la batería en entornos fríos solo puede optimizarse si aumentamos nuestra comprensión de los complejos procesos subyacentes que ocurren a bajas temperaturas.

Las pilas de moneda se utilizan comúnmente para alimentar pequeños dispositivos electrónicos portátiles debido a su diseño compacto. También se utilizan a menudo en laboratorios de investigación para probar nuevas químicas de baterías y el rendimiento general del dispositivo. Las pilas moneda son fáciles de ensamblar y de bajo coste, lo que permite a los investigadores probar rápidamente nuevos prototipos antes de ampliar a paquetes de baterías más grandes, complejos y costosos. Su pequeño tamaño también les permite acomodar fácilmente equipos de muestras a baja temperatura, lo que permite realizar investigaciones realmente in operando e in situ . Por lo tanto, las pilas moneda son excelentes opciones para estudios de baterías dependientes de la temperatura, y existe una clara necesidad de una cámara asequible a baja temperatura (≈ 0 °C) diseñada específicamente para pruebas de pilas de celdas moneda no^{ambientales 13}. Los frigoríficos residenciales comerciales pueden proporcionar fácilmente las bajas temperaturas necesarias para estos experimentos, pero la falta de regulación de la humedad causa problemas de corrosión e impide la precisión de las mediciones. El equipo comercial especializado suele estar adaptado para laboratorios de investigación de baterías a gran escala, que a menudo miden decenas o cientos de baterías a la vez. Este equipo es caro y puede resultar costoso para laboratorios de investigación con presupuestos reducidos.

Aquí informamos de un diseño de cámara sencillo, rentable y de baja temperatura, fácil de montar y rápido de implementar, lo que permite realizar más investigaciones sobre baterías a baja temperatura. Este diseño permite un control fiable de la temperatura para cuatro celdas moneda 2032 en un entorno de baja humedad, reduciendo así la corrosión y los problemas de condensación. Ofrece una alternativa rentable al equipo comercial de control de temperatura que puede implementarse en pequeños laboratorios de investigación. El diseño sencillo puede ensamblarse fácilmente en menos de una semana con un mecanizado mínimo, piezas disponibles en venta, así como algunas piezas personalizadas que pueden fabricarse con una impresora 3D usando los archivos proporcionados. El coste total ronda los 870 USD, pero teniendo en cuenta que muchos de estos materiales están disponibles y pueden ya estar presentes en laboratorios de investigación, el coste total de este dispositivo puede ser considerablemente menor de producir. Se proporciona una guía paso a paso sobre cómo montar el sistema.

La eficacia del diseño se demuestra mediante el ciclo galvanostático operando bajo condiciones de temperatura no ambiente (0 °C) y se demuestra que es adecuada para ciclos a largo plazo durante varios meses. También se muestra el rendimiento del control de temperatura y una representación 3D de la distribución de temperaturas dentro de la cámara. Aunque aquí no se presentan resultados, la cámara también puede utilizarse para experimentos electroquímicos operando adicionales, incluyendo voltametría cíclica y espectroscopía de impedancia eléctrica. Se discuten modificaciones a este diseño para permitir una gama más amplia de mediciones de operando, así como la posibilidad de ampliar el rango de temperatura de la cámara.

Los principales objetivos de esta cámara de temperatura son un control fiable de la temperatura limitando la condensación, permitiendo que cuatro celdas moneda 2032 se ciclen bajo estas condiciones. La refrigeración primaria se obtiene utilizando un mini-frigorífico comercial, pero las variaciones de temperatura pueden ser poco fiables para fines experimentales. Por ello, este diseño utiliza un controlador de encendido y apagado que controla dos módulos termoeléctricos para regular aún más una pequeña cámara hermética mecanizada a partir de resina acetal. Los disipadores y ventiladores disipan el calor, permitiendo que los módulos termoeléctricos mantengan una pequeña diferencia de temperatura. Los pasadores situados en la tapa permiten que ocho cables pasen a través de ella para permitir el ciclo de batería. Una representación esquemática de una sección transversal del diseño se representa en la Figura 1A.

Figura 1: Cámara de temperatura. (A) Ilustración de la cámara de baja temperatura con componentes etiquetados. (B) La cámara de temperatura tal y como está ensamblada. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Protocolo

1. Fabricación de la cámara

1. Componentes para impresión 3D
   1. Imprime en 3D todos los archivos STL en el Archivo Suplementario 1 (Junta Jig.stl, Abrazadera del disipador de calor.stl, Montaje on-Off.stl, Montaje de protoboard, Convertidor de cable a caimán stl, Estación de cableado Bottom.stl y Estación de cableado Top.stl), excepto los archivos Chamber.stl y Chamber Lid.stl, usando ácido poliláctico (PLA).
      NOTA: Las instrucciones de impresión forman parte del Archivo Suplementario 2. En la primera parte de este protocolo, las partes de la Tabla de Materiales estarán en cursiva, y las piezas impresas en 3D tendrán su extensión (.stl).
2. Fresado de la cámara principal, la tapa y los disipadores de calor
   1. Fresa el bloque de resina acetal a bloques de serie de 4" × 3,5", × 1,5" y 1,45" × 1,45" × 1,125".
      PRECAUCIÓN: El mecanizado puede ser peligroso y causar lesiones personales. Los pasos que impliquen mecanizado a lo largo de este protocolo solo deben ser realizados por profesionales formados.
   2. Utiliza un control numérico informático (CNC) o una fresadora manual para crear la cámara principal y la tapa, como se muestra en los archivos Chamber.stl y Chamber Lid.stl en el Archivo Suplementario 1.
      NOTA: La tapa debe estar mecanizada para asegurar un ajuste hermético. Se puede añadir una junta tórica para conseguir un mejor sellado.
   3. Corta el disipador de calor en dos perfiles de 4" por 3,5".
   4. Perfora agujeros atravesantes según el archivo de Layout.pdf de agujeros en el Archivo Suplementario 1.
   5. Haz agujeros en las aletas del disipador de calor para dejar espacio para las cabezas de los tornillos de los tapones.
   6. Atornilla un tornillo de 1/4"-20 x 1" en la parte superior de la tapa. Este cerrojo permite retirar más fácilmente la tapa de la recámara.
   7. Desliza los cuatro portapilas por el deslizador de cableado de pilas y luego por la tapa. Asegúrate de que cada una de las pestañas del soporte de la batería esté en posición ENCENDIDO.
   8. Añade silicona a todos los agujeros de alambre que entran en la tapa y deja que se asiente.
      NOTA: Cualquier residuo químico generado durante este procedimiento debe eliminarse conforme a las directrices del fabricante y a las hojas de datos de seguridad de materiales.
3. Montaje de la electrónica
   PRECAUCIÓN: Peligros eléctricos. Todo el trabajo eléctrico debe ser realizado por un profesional cualificado.
   1. Conecta todo el cableado de la Figura 2 excepto los módulos termoeléctricos y los ventiladores de 12 V. Estos se conectarán más adelante.
   2. Suelda los cables de 12 V y tierra a la fuente de alimentación al conector de dos hilos.
      PRECAUCIÓN: Los riesgos de soldadura incluyen lesiones térmicas y riesgos de inhalación. El trabajo solo debe ser realizado por un profesional cualificado en un área bien ventilada.
4. Montaje de la cámara
   1. Crea las juntas cortando primero el material de la junta usando una herramienta de corte y el Jig.stl de la junta (Archivo Suplementario 1) para hacer dos juntas. Aplica una presión ligera para evitar que la junta se destape de debajo de la plantilla y corte demasiado.
   2. Coloca una Junta en uno de los bolsillos laterales de la cámara principal para que quede plana en el bolsillo.
   3. Introduce los cables del Módulo Termoeléctrico por los orificios laterales de la cámara principal, con el lado numerado (frío) de los módulos termoeléctricos mirando hacia la cámara.
   4. Aplica una capa fina pero completa de grasa térmica en el lado termoeléctrico no numerado (caliente).
   5. Aplica un anillo fino de silicona en la cámara fuera del módulo termoeléctrico.
   6. Coloca cuidadosamente un disipador de calor sobre la cámara principal. Atornilla tapas de 1/4"-20 x 1" Atornilla los disipadores de calor en la cámara principal para exprimir la silicona. Esto formará un sellado hermético. Quita cualquier exceso de silicona.
   7. Repite en ambos lados. Espera a que la silicona se asiente.
   8. Cubre la parte inferior de los laterales de la tapa de la cámara con una capa fina de grasa al vacío y deslízala dentro de la cámara.
   9. Deslízate el termopar de registro de datos y el termopar del controlador ON/OFF en sus respectivos orificios laterales de la recámara.
   10. Añade silicona a todos los agujeros de los cables que entran en la cámara y deja que se fije.
   11. Coloca los dos ventiladores de 12 V a cada lado de los disipadores, orientados para que soplen hacia los disipadores. Utiliza tres bridas largas para apretar los ventiladores en su sitio, como se muestra en la Figura 1B.
5. Montar los soportes y el cableado
   1. Adhiere el Switch Mount.stl y el Protoboard Mount.stl en el Archivo Suplementario 1 a las impresiones de la abrazadera del disipador de calor con Instant Glue.
      PRECAUCIÓN: Riesgo químico. Utiliza todos los productos químicos según las indicaciones del fabricante.
   2. Deslicen los soportes en la fila superior de los disipadores. Coloca la placa Protoboard, el interruptor ON/OFF, el controlador y el material aislante en sus posiciones respectivas en los soportes. Asegúrate de que el interruptor de encendido/apagado esté sujeto en su posición de montaje con un trozo de cinta adhesiva de doble cara. Utiliza un trozo de plexiglás u otro material aislante y deslízalo en el soporte del protoboard.
   3. Usando el juego de crimpado macho/hembra, crima los conectores macho en los cables de cada portapilas. Utiliza cable de calibre 22 AWG y conectores de alambre para conectar los cables donde sea necesario. Se recomienda usar alicates de punta fina para sujetar el lado macho al separar estos conectores, para evitar un esfuerzo excesivo sobre los propios cables.
   4. Utiliza las impresiones 3D de la estación de cableado Inferior y Top.stl (Archivo Suplementario 1) para organizar los cables.
   5. Utiliza conectores de pala y la impresión 3D Wire to Alligator Converter.stl (Archivo Suplementario 1) para permitir una conexión tipo caimán a las celdas.
6. Montaje final
   1. Tras organizar los cables, suelda las conexiones para los módulos termoeléctricos y los ventiladores de 12 V. La cámara está ahora completamente montada.

Figura 2: Esquema del circuito eléctrico para el circuito que controla el sistema de refrigeración de la cámara. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

2. Uso de la cámara

1. Control de la cámara
   1. Para enfriar la cámara a la temperatura adecuada, apaga los módulos termoeléctricos con el interruptor manual de encendido/apagado. Conéctate a la fuente de alimentación.
   2. Pon el mando en modo de refrigeración. Ajusta la temperatura deseada a 0 °C y la diferencial de encendido a 0,1 °C. Ajusta el rango de temperaturas entre -55 °C y 24 °C para evitar un sobrecalentamiento o enfriamiento extremo en circunstancias excepcionales.
      NOTA: Ajusta la temperatura en la nevera para que sea ligeramente más cálida (~2 °C) que la temperatura deseada. La temperatura del frigorífico debería ser más cálida que la deseada para que el controlador ON/OFF mantenga la temperatura deseada, pero la temperatura no puede ser demasiado cálida, o los módulos termoeléctricos no podrán alcanzar la temperatura deseada.
2. Temperatura de registro
   1. Conecta el termopar de registro de datos al termómetro y coloca la cámara en la nevera.
   2. Configura el termómetro para que permanezca encendido indefinidamente y registra la temperatura cada pocos segundos durante 24 horas.
      NOTA: Si funciona correctamente, la temperatura en la cámara no debería variar más de ± 1 °C.
   3. Cuando esté listo para empezar a enfriar, encienda el interruptor manual de encendido/apagado. La cámara ya está lista para su uso.
3. Abrir la recámara y añadir una batería
   NOTA: Si se están midiendo activamente las baterías, los cambios de muestra deben realizarse rápidamente para evitar grandes cambios de temperatura y reducir la condensación en las baterías. Mientras se realiza el trabajo en la tapa principal, se puede imprimir en 3D una tapa temporal para reemplazar la tapa principal durante los cambios de muestra usando Temp Lid.stl contenido en el Archivo Suplementario 3.
   1. Para abrir la recámara y añadir o quitar pilas, coloca un destornillador en la parte inferior del cerrojo de la tapa. Usando el borde exterior como punto de apoyo, presiona hacia abajo el mango del destornillador. Una vez que la tapa esté suelta, sácala a mano y colócala sobre una superficie plana o utiliza el soporte de tapa contenida en el Archivo Suplementario 3 para imprimir en 3D un portatapas. Cambia la tapa de la cámara por la tapa temporal.
   2. Abre los portapilas para reemplazar y coloca la pila moneda dentro del portapilas del portapilas de la pila y coloca la pila
   3. Quita la tapa temporal y luego el paquete de gel de sílice dentro de la cámara. Limpia cualquier humedad con un paño y vuelve a colocar el sobre de gel de sílice en la cámara para ayudar a absorber cualquier humedad adicional.
   4. Vuelve a colocar la tapa principal y vuelve a meter la cámara en la nevera.
      NOTA: Puede tardar hasta 2 horas en que la temperatura se reequilibre dentro de la cámara.
4. Ciclando operando a baja temperatura
   1. Realiza los experimentos de ciclo una vez alcanzada la temperatura deseada.
   2. Sigue registrando la temperatura para asegurarte de que la cámara se mantenga en la temperatura deseada.

Resultados

El rendimiento de la cámara se probó de tres maneras: (1) medición de los gradientes de temperatura a lo largo de la cámara, (2) monitorización de la temperatura durante un periodo de 24 horas tras la construcción inicial y un periodo de 168 horas tras 7 meses de uso, y (3) recogida de datos de ciclo para celdas moneda de batería de ion de litio durante 100 ciclos o ~3 meses. Estos resultados, que se discuten a continuación, demuestran que la cámara es capaz de mantener una temperatura constante durante varios meses con una variación media de temperatura inferior a 0,75 °C, lo que resulta en datos de ciclos electroquímicos consistentes.

Figura 3: Dependencia tridimensional de la temperatura de la cámara fría. El plano YZ es el plano representado en la Figura 1. Se construyó un registrador de datos de temperatura personalizado de 2 ejes que podía usarse dentro del mini-frigorífico. Cada punto de datos representa una medición única de temperatura, lo que resulta en una variación general de temperatura en toda la cámara de ± 0,4 °C. Una descripción más detallada de la recogida y análisis de datos se proporciona en el Archivo Suplementario 2. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Gradiente de temperatura:
La variación de temperatura en toda la cámara fue relativamente constante y solo varió ± 0,4 °C, como se ve en la Figura 3. La variación mostraba un volumen ligeramente más cálido, más cercano al módulo termoeléctrico derecho, lo que podría deberse a la variación en los propios módulos o a la cantidad de energía que se entregaba a cada uno.

La superficie de los módulos termoeléctricos era consistentemente unos grados más fría que el aire cercano, por lo que asegurarse de que los portapilas no estuvieran en contacto con los módulos era importante para una gestión precisa de la temperatura. El uso de la guía de alineación del portabatería disminuía la probabilidad de contacto entre los portapilas y los módulos.

Figura 4: Variación de temperatura con el tiempo. (A) La distribución inicial de temperatura poco después de la construcción muestra una variación de ± 0,13 °C estándar cuando se mide cada 10 s durante un periodo de 24 horas. (B) Tras 7 meses de uso, la distribución de temperatura se medía cada 10 s durante un periodo de 1 semana, resultando en una variación de ± 0,75 °C std. Más información sobre esta adquisición de datos y suavizado gaussiano se proporciona en el Archivo Suplementario 2. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Monitorización de la temperatura:
La variación media de temperatura se midió cada 10 s durante 168 horas tras 7 meses de uso y puede verse estable durante ese periodo en la Figura 4. La naturaleza en bloque de los datos en la Figura 4B probablemente se deba a las rápidas oscilaciones de temperatura. Se podría emplear un método de control más sofisticado para reducir estas oscilaciones si fuera necesario. La temperatura media inicialmente varió ± 0,13 °C, como se muestra en la Figura 4A, pero aumentó durante un periodo de 7 meses hasta ± 0,75 °C como se muestra en la Figura 4B. Esto podría ser una señal de que la cámara se vuelve más inestable con el tiempo, pero también podría deberse a otros factores, como el aumento de la temperatura ambiente del laboratorio. No obstante, la estabilidad de la temperatura a lo largo del tiempo es significativa, y este nivel de control de temperatura suele ser adecuado para la mayoría de las investigaciones de baterías a baja temperatura. Detalles adicionales sobre la caracterización de la temperatura dentro de la cámara se proporcionan en el Archivo Suplementario 2.

Figura 5: Evolución de la capacidad de la batería a lo largo de 100 ciclos. (A) Datos de ciclo usando un sistema de baño de circulación para el control de temperatura. Se observaron grandes variaciones en la capacidad debido a fluctuaciones de temperatura y problemas de corrosión causados por la condensación en las baterías. (B) Datos de ciclo utilizando la cámara personalizada de baja temperatura presentada en este artículo, mostrando significativamente menos ruido. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Datos de ciclo electroquímico:
Para probar el rendimiento de la cámara en el mantenimiento de la temperatura durante las pruebas de batería, se realizaron pruebas de ciclo galvanostático en cuatro baterías de pila moneda de iones de litio 2032 disponibles comercialmente. Estas celdas moneda se ciclaban a 0 ± 1 °C a una tasa C de C/7 durante 100 ciclos, lo que duraba ~3 meses. Los resultados se muestran en la Figura 5B. Estos datos se comparan con una generación anterior de cámaras de temperatura, que empleaba una cámara de aluminio aislada con poliestireno y un baño circulante que contenía solución anticongelante. El método del baño de circulación provocaba grandes desviaciones en las capacidades de las celdas medidas, como se observa en la Figura 5A, y provocaba corrosión de las pilas durante ciclos repetidos. El nuevo diseño de cámara aquí informado muestra una mejora significativa en las capacidades de las células medidas, destacándose por una mayor estabilidad térmica, ausencia de corrosión celular y una reducción significativa del ruido en los datos.

El correcto funcionamiento de la cámara se indicará mediante una temperatura constante mantenida con solo fluctuaciones menores, y datos electroquímicos libres de cambios inexplicables o repentinos, como voltajes erráticos o aumentos y disminuciones repentinas en la capacidad de la celda. Después de montar y encender la cámara inicialmente, es recomendable registrar la temperatura durante 24 horas hasta varios días para asegurarse de que no haya un aumento o disminución gradual de la temperatura que indique que los ajustes del frigorífico deben ajustarse para optimizar la disipación del calor.

Archivo suplementario 1: Archivos STL para impresión 3D. Los archivos incluyen Gasket Jig.stl, Heat Sink Clamp.stl, On-Off Mount.stl, Protoboard Mount.stl, Wire to Alligator Converter.stl, Wiring Station Bottom.stl, Wiring Station Top.stl, Chamber.stl y archivos Chamber Lid.stl. Por favor, haga clic aquí para descargar este archivo.

Archivo suplementario 2: Instrucciones de impresión y caracterización de temperatura. Por favor, haga clic aquí para descargar este archivo.

Archivo suplementario 3: Archivos STL para imprimir en 3D la tapa principal y el soporte de la tapa. Por favor, haga clic aquí para descargar este archivo.

Discusión

Pasos clave:
Hay varios pasos en el protocolo que son críticos para garantizar el correcto funcionamiento de la cámara fría. Se debe tener cuidado con las conexiones de cable, ya que son necesarias para que el circuito funcione correctamente y garantice una recogida precisa de datos. Las conexiones defectuosas pueden provocar lecturas de voltaje erráticas y pueden evitarse usando un voltímetro para probar las conexiones antes de introducir las pilas monedas en la cámara.

Se deben evitar fugas de aire, ya que permitirían la entrada de humedad adicional en la cámara, que puede condensarse en las celdas y causar corrosión. El mecanizado preciso de la tapa y otros orificios, así como un sellado cuidadoso con el material de la junta y la grasa, ayudarán a garantizar la fiabilidad y el rendimiento a largo plazo de la cámara. Si la cámara no es hermética, la condensación en las celdas puede provocar corrosión, que suele indicarse por un rendimiento errático de las celdas, como aumentos o disminuciones repentinas en la capacidad de la celda, y cuando se retiran las celdas de los soporte, pueden parecer que están perdiendo o se están decolorando.

Por último, es importante asegurarse de que el termopar utilizado para el registro de datos esté calibrado y posicionado correctamente antes de sellarlo en la cámara para registrar de forma fiable el rendimiento de temperatura de la cámara.

Modificaciones:
Aunque esta cámara de temperatura está diseñada específicamente para 2032 experimentos con celdas moneda a 0 °C, este diseño general puede modificarse y optimizarse para una amplia gama de experimentos que tengan requisitos ambientales similares. Los portamonedas para 2032 celdas podrían reemplazarse fácilmente por los de otras celdas. Diferentes geometrías de batería (por ejemplo, cilíndricas, de bolsa) también podrían acomodarse cambiando los portapilas, pero puede requerir aumentar las dimensiones de la recámara. La cámara podía alcanzar temperaturas más bajas aumentando la potencia de los módulos termoeléctricos a más de 12 V. Los módulos termoeléctricos utilizados en este diseño están clasificados para proporcionar refrigeración a -40 °C. Sin embargo, sería necesaria una mejor disipación del calor, así como pruebas para evaluar los gradientes de temperatura dentro de la cámara y asegurar el correcto funcionamiento de todos los componentes a esta temperatura reducida. Se podía usar una placa de circuito impreso tanto para registrar los datos como para controlar los módulos termoeléctricos y así eliminar la necesidad de dos termopares. Por último, si la cámara se utiliza principalmente para el control de la humedad y el control preciso de la temperatura no es un problema, el diseño de tapa y cámara puede utilizarse sin los módulos termoeléctricos, el sistema de control y las partes de disipación de calor.

Solución de problemas:
Debido al diseño sencillo, la mayoría de los posibles problemas que se encuentren deberían ser relativamente sencillos de solucionar. La corrosión de las baterías probablemente indica una fuga de aire, y asegurarse de que todos los agujeros estén sellados debería ser la primera acción contra ella. Los datos ruidosos de ciclo de batería probablemente indican un problema de cableado o un mal contacto físico con los portapilas que se puede solucionar mejorando las conexiones. También puede ser señal de que se está formando condensación en las celdas, lo que puede provocar corrosión, por lo que el sistema también debe comprobarse para asegurarse de que es hermético. La incapacidad para alcanzar la temperatura deseada puede deberse a numerosos factores, como la aplicación inadecuada de la grasa térmica, el intento de alcanzar la temperatura deseada fuera del rango de los módulos termoeléctricos, la corriente y el voltaje insuficientes proporcionados a los módulos, o una disipación de calor ineficaz.

Limitaciones:
Una limitación principal de este diseño de cámara es la necesidad de extraer las cuatro baterías para poder abordar cualquiera de ellas. Esto provoca que las cuatro baterías queden expuestas a otros entornos cuando hay que sacar alguna de ellas. Este problema es difícil de mitigar con el diseño actual. Otra limitación es que si se pierde energía a los módulos termoeléctricos, la temperatura en la cámara aumenta rápidamente. Por tanto, garantizar que no se pierda energía en los módulos es fundamental. Utilizar una fuente de alimentación ininterrumpida y/o un generador de respaldo para evitar cambios de temperatura no deseados podría ser beneficioso si los cortes de luz son un problema.

Importancia:
Las baterías siguen sufriendo una reducción significativa en el rendimiento a bajas temperaturas, lo que hace que sea cada vez más importante para nuevos esfuerzos de investigación sobre este problema. Este diseño de cámara de temperatura fue diseñado específicamente para hacer circular baterías de 2032 pilas de moneda a baja temperatura, limitando la condensación y la corrosión. Otro objetivo clave era producir un diseño rentable y fácil de montar. Las alternativas comerciales especialmente hechas a este diseño suelen ser caras, y otras opciones de bajo coste, por ejemplo, usar un frigorífico estándar, no previenen completamente la condensación y pueden mostrar variaciones de temperatura^{incrementadas 2,3,14}. Por lo tanto, este diseño puede ser una opción de bajo coste y rápida implementación para investigadores que desean realizar estudios de ciclos de baterías a baja temperatura sin sobrecargar sus presupuestos de investigación.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Tornillos de tapa de 1/4"-20 x 1"	Grainger	4XE35	necesidad 9; 8 para disipadores de calor, 1 para tapa
Ventiladores de 12 V	Digikey	2223-CFM-9225C-130-356-ND	necesidad 2; Usado para circular el aire hacia disipadores de calor
Conector de CA a 12 V 10 A	Digikey	AD-EL-1201200-Z	convierte wall power
Resina acetal	McMaster	8575K148	Culata de 1,5" x 6" x 6"
Portapilas	Digikey	36-1086-ND	necesitan 4; 2 extra
Deslizador de cableado de batería	N/A	N/A	Impreso en 3D desde PLA
Registro de datos del termopar	ExTech	872501-S	Se puede sustituir por un termopar preferido
Junta de Desarrollo Electrónico	Adafruit	3000	véase Archivo Suplementario 2
Sistema de registro electrónico de temeprature	Arduino	A000066	véase Archivo Suplementario 2
Frigorífico	Chef Mágico	MCR170BE	Se puede sustituir por un frigorífico estándar
Plantilla de junta	N/A	N/A	Impreso en 3D desde PLA
Material de la junta	McMaster-Carr		5542N125
Disipador de calor	Digikey	345-127709-ND	necesidad 1; cortado en 2 disipadores de calor
Abrazadera del disipador de calor	N/A	N/A	Impreso en 3D desde PLA
Pegamento instantáneo	Loctite	234790	También conocido como Super Glue
Soporte de tapa	N/A	N/A	Impreso en 3D desde PLA
Brida larga	Digikey	2162-AL-14-50-0-C-ND	Paquete de 100, necesito 4 o menos
Juego de crimpado masculino/femenino	Mouser	474-PRT-10501	necesito 8, también debería tener 4 repuestos
Controlador ON/OFF	Amazon	7.38587E+11	grupo de 2
Fuente de alimentación a conector de 2 hilos	Digikey	CP-024A-ND	Necesito 1
Protoboard	Adafruit	1609	Necesito 1
Montaje Protoboard	N/A	N/A	Impreso en 3D desde PLA
Brida corta	Southwire	BL4M2-C	Paquete de 100
Gel de sílice	McMaster	2189K14	usado para absorber cualquier humedad adicional
Silicona	Loctite	908570	Necesito muy poco
Conectores de pala	McMaster	7060K79	necesito 8, debería conseguir repuestos
Cables trenzados de 22 AWG	Adafruit	3175	Se puede sustituir por el cableado preferido
Soporte de interruptor	N/A	N/A	Impreso en 3D desde PLA
Tapa temporal	N/A	N/A	Impreso en 3D desde PLA
Grasa térmica	Wakefield	120-5	Necesito muy poco
Módulos termoeléctricos	DigiKey	102-1682-ND	necesidad 2; Producto del fabricante #: CP85438
Termómetro	ExTech	EA15	Se puede sustituir por un termómetro preferido
Grasa al vacío	DuPont	2708493	Necesito muy poco
Convertidor de cable a caimán	N/A	N/A	Impreso en 3D desde PLA
Fondo de la estación de cableado	N/A	N/A	Impreso en 3D desde PLA
Parte superior de la estación de cableado	N/A	N/A	Impreso en 3D desde PLA