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

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 variedad de climas. El rendimiento de las baterías suele verse reducido en entornos fríos, lo que requiere más investigación centrada en investigaciones de baterías a baja temperatura.

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 no se centren en experimentos no ambientales. Aquí informamos de un diseño sencillo y rentable de cámara de temperatura, fácil de montar y rápido de implementar, permitiendo realizar más investigaciones sobre baterías a baja temperatura. Este diseño permite una temperatura fiable a cuatro celdas de moneda 2032 en entornos de baja humedad para reducir la corrosión y los problemas de condensación.

En este protocolo, repasaremos los pasos principales de fabricación de la cámara antes de demostrar cómo utilizarla. En el texto completo se proporcionan instrucciones adicionales. Primero, imprime en 3D todos los archivos STL suplementarios excepto los archivos de la cámara y la tapa de la cámara usando PLA.

Segundo, mueren el bloque de resina de acetol a las dimensiones proporcionadas. Usamos una fresadora CNC o manual para crear la cámara principal y la tapa, mostrando los archivos suplementarios de la cámara y la tapa de la cámara. También corta los disipadores de calor a su medida y haz los agujeros que atraviesan según el archivo de distribución del pozo.

Ahora deberías tener todas las piezas que requieren un taller mecánico. Desliza los cuatro portapilas por el deslizador de cableado y luego por la tapa. Asegúrate de que cada una de las pestañas del soporte de la batería esté en la posición de encendido.

Conecta todo el cableado de la figura 2 excepto los módulos termoeléctricos y los ventiladores de 12 voltios. Estos se conectarán más adelante. Suelda los cables de 12 voltios y tierra a la fuente de alimentación a un conector de 2 hilos.

Crea las juntas cortando primero el material de la junta usando una herramienta de corte y la plantilla para juntas para hacer dos juntas. Aplica una presión ligera para evitar que la junta se destape de debajo de la plantilla y corte demasiado. Coloca la junta en uno de los bolsillos laterales de la cámara principal para que quede plana dentro del bolsillo.

Introduce los cables del módulo termoeléctrico por los orificios laterales de la cámara principal, con el lado frío numerado de los módulos termoeléctricos orientado hacia la cámara. Aplica una capa fina pero completa de grasa térmica en el lado caliente termoeléctrico sin número. Aplica un anillo fino de silicona en la cámara fuera del módulo termoeléctrico.

Coloca cuidadosamente un disipador de calor encima de la cámara principal. Atornilla los disipadores de calor en la cámara principal para exprimir la silicona. Esto formará un sellado hermético.

Quita cualquier exceso de silicona. Repite en ambos lados. Después de deslizar la tapa y los termopares en la cámara, coloca los dos ventiladores de 12 voltios a cada lado de los disipadores.

Orientarlo para que sople hacia los disipadores de calor. Usa tres bridas largas para apretar los ventiladores. Pega el soporte del interruptor y el soporte de protoboard a las impresiones del disipador de calor con pegamento instantáneo.

Deslicen los soportes en la fila superior de los disipadores. Coloca la protoboard, el interruptor de encendido y apagado, el controlador y el material aislante en sus respectivas posiciones sobre los soportes. Después de organizar los cables, suelda las conexiones de los módulos termoeléctricos y los ventiladores de 12 voltios.

La cámara está ahora completamente montada. Para enfriar la cámara a la temperatura adecuada, apaga los módulos termoeléctricos con el interruptor manual de encendido/apagado. Pon el mando en modo de refrigeración.

Ajusta la temperatura deseada a 0 grados Celsius y la diferencial de apagado a 0,1 grados Celsius. Ajusta el rango de temperaturas a -55 a 24 grados Celsius para evitar un sobrecalentamiento o enfriamiento extremo en circunstancias excepcionales. Después de conectar el termopar de registro de datos al termómetro y colocar la cámara en la nevera, vuelve a encender el interruptor de encendido-apagado.

La cámara ya está lista para su uso. 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.

Cuando la tapa esté suelta, sácala con la mano y colócala sobre una superficie plana o en el portatapas impreso en 3D que se proporciona y cámbiala por una tapa temporal. Abre los portapilas que quieres reemplazar y coloca la celda moneda dentro del portapilas de la pila que quieras cambiar. 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. Cambia la tapa principal. Puede tardar hasta dos horas en que la temperatura se reequilibre dentro de la cámara.

Para evaluar la fiabilidad de la cámara para mantener una temperatura constante de 0 grados Celsius, su rendimiento se probó de tres maneras. Primero, utilizamos un registrador automático de datos de temperatura para medir los gradientes de temperatura a lo largo de la cámara. La variación de temperatura en toda la cámara era constante y solo variaba 4 grados Celsius.

En segundo lugar, la estabilidad térmica de la cámara recién ensamblada se monitorizó durante un solo día, que mantuvo una variación de temperatura de 13 grados Celsius. Para probar el rendimiento a largo plazo, tras usar el dispositivo durante siete meses, se realizó una medición de una semana, que mostró una ligera reducción de la variación de temperatura de 75 grados Celsius. Por último, cuatro pilas moneda de iones de litio 2032 se ciclaron 100 veces durante tres meses.

Los datos del ciclo muestran un rendimiento constante y bajo ruido a lo largo de este experimento. Estos resultados demuestran que la cámara puede mantener una temperatura constante y permite realizar de forma fiable los experimentos de ciclo electroquímico a baja temperatura. Aquí presentamos un diseño sencillo para permitir un ciclo de baterías a baja temperatura rentable para celdas moneda 2032 en un entorno de baja humedad.

La prueba de rendimiento muestra que este dispositivo ofrece un rendimiento fiable a largo plazo con variaciones de temperatura inferiores a un solo grado Celsius.