Conception de chambre de batterie à pile à pièces pour des expériences d’opérando à basse température

Résumé

Un design est présenté pour permettre un cycle de batterie à basse température économique pour les cellules à pièces 2032 dans un environnement à faible humidité. Les cellules sont cyclées à 0 °C à l’intérieur d’une chambre refroidie par des modules thermoélectriques. Cette conception simple peut être adaptée pour des expériences nécessitant des environnements thermiques et humides contrôlés similaires ou des géométries de batterie différentes.

Résumé

À mesure que nous devenons de plus en plus dépendants des batteries rechargeables qui alimentent nos appareils, il devient de plus en plus important de comprendre les réductions de capacité et de performance qui surviennent dans les environnements froids. La recherche axée sur la performance de cycle des batteries à basse température est essentielle pour orienter la conception et l’optimisation des batteries avancées. Cependant, les équipements de cyclage de batterie à basse température disponibles dans le commerce tendent à être coûteux, empêchant la recherche sur ces cycles à basse température dans de nombreuses installations. Voici une conception simple et économique de chambre de température, facile à assembler et à mettre en œuvre rapidement. Cette conception permet un contrôle fiable de la température pour quatre piles à pièces 2032 dans des environnements à faible humidité, réduisant ainsi les problèmes de corrosion et de condensation. Les données de cycles électrochimiques démontrent l’évolution de la capacité cellulaire à T = 0 ± 1 °C pendant 100 cycles à un taux C de C/7. La température peut être abaissée à -5 °C dans la conception actuelle, et de petites modifications permettraient d’obtenir des températures encore plus basses. De plus, ce design peut aussi être facilement adapté pour accueillir d’autres types de batteries ou pour augmenter le nombre d’échantillons mesurés.

Introduction

À mesure que le monde devient de plus en plus électrifié, les batteries jouent un rôle clé dans l’énergisation de nos appareils. Qu’il s’agisse d’alimenter nos véhicules électriques ou de fournir un stockage d’énergie pour les sources d’énergie renouvelables au niveau du réseau, il devient de plus en plus important de développer des batteries qui présentent de hautes performances dans une large gamme de^{climats 1,2}. Les performances des batteries sont souvent réduites dans les environnements froids, ce qui nécessite davantage de recherches axées sur les recherches sur les batteries à basse^{température 3,4}. Cependant, les équipements commerciaux de cyclage de batterie à basse température tendent à être coûteux, ce qui empêche ces études d’être réalisées dans des centres de recherche qui ne se concentrent généralement pas sur des expériences non ambiantes.

De nombreuses applications de batteries n’ont besoin de comprendre le comportement à basse température à des températures modérées approchant 0 °C ou légèrement^{inférieures à 5}. Malgré cette plage de température limitée, les batteries continuent de présenter des réductions significatives de capacité globale, de performances et de caractéristiques de charge à basse température ^6,7. Par exemple, les batteries commerciales Li-ion ne maintiennent que 10 % de leur capacité à température ambiante à −40^{°C 8,9}. Tous les composants de la cellule, y compris la cathode, l’anode et l’électrolyte, ont des effets documentés à des températures non^{ambiantes 6,7,10}. Cette question prend de plus en plus d’importance en raison de l’émergence récente des véhicules électriques et entrave l’utilisation des batteries rechargeables dans les pays aux climats hivernaux^{glacials 11,12}. Les performances des batteries dans des environnements froids ne peuvent être optimisées que si nous augmentons notre compréhension des processus complexes sous-jacents qui se produisent à basse température.

Les piles à piles à monnaie sont couramment utilisées pour alimenter de petits appareils électroniques portables en raison de leur conception compacte. Ils sont également souvent utilisés dans les laboratoires de recherche pour tester les nouvelles chimies de batteries et les performances globales des dispositifs. Les piles à monnaie sont faciles à assembler et peu coûteuses, ce qui permet aux chercheurs de tester rapidement de nouveaux prototypes avant de passer à des packs de batteries plus grands, plus complexes et plus coûteux. Leur petite taille leur permet également de s’intégrer facilement dans des équipements d’échantillonnage à basse température, permettant de véritables investigations in operando et in situ . Ainsi, les piles à pièces sont d’excellents choix pour les études de batteries dépendant de la température, et il existe un besoin évident d’une chambre abordable à basse température (≈ 0 °C) conçue spécifiquement pour les tests de piles à piles à monnaie non^{ambiantes 13}. Les réfrigérateurs résidentiels commerciaux peuvent facilement fournir les basses températures nécessaires pour ces expériences, mais l’absence de régulation de l’humidité entraîne des problèmes de corrosion et nuit à la précision des mesures. Les équipements commerciaux spécialisés sont généralement adaptés aux grands laboratoires de recherche sur batteries, mesurant souvent des dizaines voire des centaines de batteries à la fois. Cet équipement est coûteux et peut être trop coûteux pour les laboratoires de recherche avec des budgets plus modestes.

Nous rapportons ici une conception de chambre simple, économique et basse température, facile à assembler et rapide à mettre en œuvre, permettant de mener davantage de recherches sur les batteries à basse température. Cette conception permet un contrôle fiable de la température pour quatre piles à pièces 2032 dans un environnement à faible humidité afin de réduire les problèmes de corrosion et de condensation. Il constitue une alternative économique aux équipements commerciaux de contrôle de la température pouvant être mis en œuvre dans de petits laboratoires de recherche. Le design simple peut être facilement assemblé en moins d’une semaine avec un minimum d’usinage, des pièces disponibles en magasin, ainsi que quelques pièces personnalisées qui peuvent être fabriquées avec une imprimante 3D à partir des fichiers fournis. Le coût total est d’environ 870 USD, mais étant donné que beaucoup de ces matériaux sont couramment disponibles et peuvent déjà être présents dans les laboratoires de recherche, le coût global de production de cet appareil peut être considérablement inférieur. Un guide étape par étape sur la façon d’assembler le système est fourni.

L’efficacité de la conception est démontrée par un cycle galvanostatique opérando dans des conditions de température non ambiante (0 °C) et s’avère adaptée à un cycle prolongé sur plusieurs mois. La performance de contrôle de la température et une représentation 3D de la distribution de température à l’intérieur de la chambre sont également montrées. Bien que les résultats ne soient pas présentés ici, la chambre peut également être utilisée pour d’autres expériences électrochimiques d’opérando, notamment la voltammétrie cyclique et la spectroscopie d’impédance électrique. Des modifications apportées à ce design pour permettre un plus large éventail de mesures d’opérando sont discutées, ainsi que de la possibilité d’étendre la plage de température de la chambre.

Les principaux objectifs de cette chambre de température sont un contrôle fiable de la température tout en limitant la condensation, permettant ainsi de faire circuler quatre cellules à pièces 2032 dans ces conditions. Le refroidissement primaire est obtenu à l’aide d’un mini-frigo commercial, mais les variations de température peuvent être peu fiables à des fins expérimentales. Par conséquent, cette conception utilise un contrôleur marche-arrêt qui contrôle deux modules thermoélectriques pour réguler davantage une petite chambre hermétique usinée à partir de résine acétal. Les dissipateurs thermiques et les ventilateurs dissipent la chaleur, permettant aux modules thermoélectriques de maintenir une faible différence de température. Des passages situés sur le couvercle permettent à huit fils de passer à travers pour permettre le cycle de la batterie. Une représentation schématique d’une coupe transversale du dessin est représentée à la Figure 1A.

Figure 1 : Chambre de température. (A) Illustration de la chambre basse température avec les composants indiqués. (B) La chambre de température telle qu’assemblée. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figurine.

Protocole

1. Fabrication de la chambre

1. Composants d’impression 3D
   1. Imprimez en 3D tous les fichiers STL dans le fichier supplémentaire 1 (Gasket Jig.stl, Heat Sink Clamp.stl, On-Off Mount.stl, Protoboard Mount.stl, Wire-Alligator Converter.stl, Wiring Station Bottom.stl, et Wiring Station Top.stl), sauf les fichiers Chamber.stl et Chamber Lid.stl, en utilisant l’acide polylactique (PLA).
      REMARQUE : Les instructions d’impression font partie du Fichier Supplémentaire 2. Pour la première partie de ce protocole, les pièces issues de la Table des Matériaux seront en italique, et les pièces imprimées en 3D auront leur extension (.stl).
2. Fraisage de la chambre principale, du couvercle et des dissipateurs thermiques
   1. Moudre le bloc en résine d’acétal en blocs d’origine de 4 » × 3,5 » × 1,5 » et 1,45 » × 1,45 » × 1,125 ».
      ATTENTION : L’usinage peut être dangereux et entraîner des blessures corporelles. Les étapes impliquant l’usinage tout au long de ce protocole doivent être effectuées uniquement par des professionnels formés.
   2. Utilisez une machine à freiner numérique (CNC) ou manuelle pour créer la chambre principale et le couvercle, comme illustré dans les fichiers Chamber.stl et Chamber Lid.stl dans le fichier supplémentaire 1.
      REMARQUE : Le couvercle doit être usiné pour garantir un ajustement hermétique. Un joint torique peut être ajouté pour obtenir une meilleure étanchéité.
   3. Découpez le dissipateur thermique en deux profils de 4 » par 3,5 ».
   4. Forez les trous selon le fichier Trous Layout.pdf dans le fichier supplémentaire 1.
   5. Perçez des trous dans les ailettes du dissipateur thermique pour laisser de la place aux têtes des vis des bouchons.
   6. Vissez un boulon de 1/4 »-20 x 1 » en haut du couvercle. Ce boulon permet de retirer plus facilement le couvercle de la chambre.
   7. Faites glisser les quatre porte-piles à travers le curseur de câblage de la batterie puis à travers le couvercle. Assurez-vous que chaque onglet du porte-batterie est en position ON.
   8. Ajoutez du silicone à tous les trous de fil qui entrent dans le couvercle et laissez fixer.
      REMARQUE : Tout déchet chimique généré lors de cette procédure doit être éliminé conformément aux directives du fabricant et aux fiches de données de sécurité des matériaux.
3. Assemblage de l’électronique
   ATTENTION : Risques électriques. Tous les travaux électriques doivent être réalisés par un professionnel formé.
   1. Connectez tous les câblages de la Figure 2 sauf les modules thermoélectriques et les ventilateurs 12 V. Ces éléments seront connectés plus tard.
   2. Soudez les lignes 12 V et la terre à l’alimentation du connecteur à deux fils.
      ATTENTION : Les risques de soudure incluent les blessures thermiques et les risques d’inhalation. Le travail ne doit être effectué que par un professionnel formé dans un espace bien ventilé.
4. Assemblage de la chambre
   1. Créez les joints en coupant d’abord le matériau du joint à l’aide d’un outil de coupe et du Joint Jig.stl (fichier supplémentaire 1) pour fabriquer deux joints. Appliquez une légère pression pour éviter de tirer le joint de sous le gabarit et de trop couper.
   2. Placez un joint dans l’une des poches latérales de la chambre principale afin qu’il soit à plat dans la poche.
   3. Passez les fils du module thermoélectrique par les trous latéraux de la chambre principale, avec le côté numéroté (froid) des modules thermoélectriques orienté vers l’intérieur de la chambre.
   4. Appliquez une fine couche complète mais complète de graisse thermique sur le côté thermoélectrique non numéroté (chaud).
   5. Appliquez un flic de silicone sur la chambre à l’extérieur du module thermoélectrique.
   6. Placez soigneusement un dissipateur thermique au-dessus de la chambre principale. Visser un bouchon de 1/4 »-20 x 1 » Visser les dissipateurs thermiques dans la chambre principale pour presser le silicone. Cela formera un joint hermétique. Enlève tout excès de silicone.
   7. Répétez des deux côtés. Attends que le silicone prenne.
   8. Endussez la partie inférieure des côtés du couvercle de la chambre d’une fine couche de graisse sous vide et glissez-la dans la chambre.
   9. Faites glisser le thermocouple Datalogging et le thermocouple du contrôleur ON/OFF dans leurs trous respectifs sur le côté de la chambre.
   10. Ajoutez du silicone à tous les trous de fil entrant dans la chambre et laissez la prise.
   11. Placez les deux ventilateurs 12 V de chaque côté des dissipateurs, orientés pour souffler dans les dissipateurs. Utilisez trois longs colliers de serrage pour serrer les ventilateurs en place, comme montré à la Figure 1B.
5. Assemblage des supports et du câblage
   1. Fixez le montage Switch .stl et le Protoboard Mount.stl dans le fichier supplémentaire 1 aux impressions du serre-dissipateur thermique avec de la colle instantanée.
      ATTENTION : Risque chimique. Utilisez tous les produits chimiques selon les instructions du fabricant.
   2. Faites glisser les supports sur la rangée supérieure des dissipateurs. Placez la carte Protoboard, l’interrupteur ON/OFF, le contrôleur et le matériau isolant à leurs positions respectives sur les supports. Assurez-vous que l’interrupteur ON/OFF est maintenu en position de fixation avec un morceau de ruban adhésif double verso. Utilisez un morceau de plexiglas ou tout autre matériau isolant et glissez-le dans le support Protoboard.stl au-dessus de la protoboard pour éviter les courts-circuits accidentels.
   3. Avec le set de sertissage mâle/femelle, sertissez les connecteurs mâles sur les fils de chaque porte-pile. Utilisez des fils et des connecteurs de fil à écartement 22 AWG pour connecter les fils là où ils sont nécessaires. Il est recommandé d’utiliser une pince à bec fin pour fixer le côté mâle lors de la séparation de ces connecteurs afin d’éviter un stress excessif sur les fils eux-mêmes.
   4. Utilisez les impressions 3D Bottom et Top.stl de la station de câblage (fichier supplémentaire 1) pour organiser les fils.
   5. Utilisez des connecteurs à pelle et l’impression 3D Wire-to Alligator Converter.stl (Fichier Supplémentaire 1) pour permettre une connexion de type alligator aux cellules.
6. Montage final
   1. Après avoir organisé les fils, soudez les connexions des modules thermoélectriques et des ventilateurs 12 V. La chambre est désormais entièrement assemblée.

Figure 2 : Schéma du circuit électrique du circuit contrôlant le système de refroidissement de la chambre. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figurine.

2. Utilisation de la chambre

1. Contrôle de la chambre
   1. Pour refroidir la chambre à la température appropriée, éteignez les modules thermoélectriques avec l’interrupteur manuel ON/OFF. Connectez-vous à l’alimentation.
   2. Réglez la manette en mode refroidissement. Régler la température désirée à 0 °C et la différence d’allumage à 0,1 °C. Réglez la plage de température entre -55 °C et 24 °C pour éviter une surchauffe extrême ou un surrefroidissement dans des situations extrêmes.
      REMARQUE : Ajustez la température au réfrigérateur pour qu’elle soit légèrement plus chaude (~2 °C) que la température souhaitée. La température du réfrigérateur doit être plus élevée que la température souhaitée pour que le contrôleur ON/OFF maintienne la température souhaitée, mais la température ne peut pas être trop élevée, sinon les modules thermoélectriques ne pourront pas atteindre la température souhaitée.
2. Température de journalisation
   1. Connectez le thermocouple datalog au thermomètre et placez la chambre dans le réfrigérateur.
   2. Réglez le thermomètre pour rester allumé indéfiniment et notez la température toutes les quelques secondes pendant 24 heures.
      REMARQUE : Si le fonctionnement est correct, la température dans la chambre ne devrait pas varier de plus de ± 1 °C.
   3. Lorsque vous êtes prêt à commencer le refroidissement, activez l’interrupteur manuel ON/OFF. La chambre est maintenant prête à être utilisée.
3. Ouvrir la chambre et ajouter une batterie
   REMARQUE : Si les batteries sont mesurées activement, les changements d’échantillons doivent être effectués rapidement pour éviter de grands changements de température et réduire la condensation sur les batteries. Pendant que le couvercle principal est effectué, un couvercle temporaire peut être imprimé en 3D pour remplacer le couvercle principal lors des changements d’échantillons en utilisant Temp Lid.stl contenu dans le fichier supplémentaire 3.
   1. Pour ouvrir la chambre afin d’ajouter ou de retirer des piles, placez un tournevis sous le boulon du couvercle. En utilisant le bord extérieur comme point d’appui, appuyez sur la poignée du tournevis. Une fois le couvercle desserré, retirez-le à la main et posez-le sur une surface plane ou utilisez le support de couvercle contenu dans le fichier supplémentaire 3 pour imprimer en 3D un porte-couvercle. Remplacez le couvercle de la chambre par le couvercle temporaire.
   2. Ouvrez les porte-piles à remplacer et placez la pile à monnaie à l’intérieur du porte-piles.
   3. Retirez le couvercle temporaire puis le sachet de gel de silice à l’intérieur de la chambre. Essuyez toute humidité avec un chiffon et remplacez le sachet de gel de silice dans la chambre pour aider à absorber l’humidité supplémentaire.
   4. Remettez le couvercle principal et remettez la chambre dans le réfrigérateur.
      REMARQUE : Il peut falloir jusqu’à 2 heures pour que la température se rééquilibre à l’intérieur de la chambre.
4. Opérando cyclage à basse température
   1. Effectuez les expériences de cycle une fois la température désirée atteinte.
   2. Continuez à noter la température pour vous assurer que la chambre reste à la température souhaitée.

Résultats

Les performances de la chambre ont été testées de trois manières : (1) mesure des gradients de température à travers la chambre, (2) surveillance de la température sur une période de 24 heures après la construction initiale et une période de 168 heures après 7 mois d’utilisation, et (3) collecte de données de cyclage pour les piles à pièces de batterie lithium-ion sur 100 cycles ou ~3 mois. Ces résultats, discutés ci-dessous, démontrent que la chambre est capable de maintenir une température constante pendant plusieurs mois avec une variation moyenne de température inférieure à 0,75 °C, ce qui donne des données de cycle électrochimique cohérentes.

Figure 3 : Dépendance à la température tridimensionnelle de la chambre froide. Le plan YZ est le plan représenté à la Figure 1. Un enregistreur de données de température personnalisé à 2 axes a été construit, pouvant être utilisé à l’intérieur du mini-frigo. Chaque point de données représente une mesure de température unique, entraînant une variation globale de température dans la chambre de ± 0,4 °C. Une description complémentaire de la collecte et de l’analyse des données est fournie dans le Fichier Supplémentaire 2. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figurine.

Gradient de température :
La variation de température dans toute la chambre était relativement constante et ne variait que ± 0,4 °C, comme on le voit à la Figure 3. La variation montrait un volume légèrement plus chaud, plus proche du module thermoélectrique droit, ce qui pouvait être dû à la variation des modules eux-mêmes ou à la puissance fournie à chacun.

La surface des modules thermoélectriques était constamment quelques degrés plus froide que l’air environnant, il était donc important de s’assurer que les supports de batterie ne soient pas en contact avec les modules pour une gestion précise de la température. L’utilisation du guide d’alignement des porte-piles réduisait la probabilité de contact entre les supports et les modules.

Figure 4 : Variation de température dans le temps. (A) La distribution initiale de température peu après la construction montre une variation de ± 0,13 °C standard lorsqu’elle est mesurée toutes les 10 s sur une période de 24 heures. (B) Après 7 mois d’utilisation, la répartition des températures était mesurée tous les 10 s sur une période d’une semaine, ce qui entraînait une variation de ± 0,75 °C std. Plus d’informations sur cette acquisition de données et le lissage gaussienne sont fournies dans le Fichier Supplémentaire 2. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figurine.

Surveillance de la température :
La variation moyenne de température a été mesurée tous les 10 s pendant 168 h après 7 mois d’utilisation et peut être observée comme stable sur cette période dans la Figure 4. La nature en blocs des données de la Figure 4B est probablement due aux fluctuations rapides de température. Une méthode de contrôle plus sophistiquée pourrait être utilisée pour réduire ces oscillations si nécessaire. La température moyenne variait initialement de ± 0,13 °C, comme montré à la Figure 4A, mais a augmenté sur une période de 7 mois pour atteindre ± 0,75 °C comme illustré à la Figure 4B. Cela pourrait indiquer que la chambre devient plus instable avec le temps, mais cela pourrait aussi être dû à d’autres facteurs, comme l’augmentation de la température ambiante du laboratoire. Néanmoins, la stabilité de la température dans le temps est importante, et ce niveau de contrôle de la température est généralement suffisant pour la plupart des recherches sur batteries à basse température. Des détails supplémentaires sur la caractérisation de la température à l’intérieur de la chambre sont fournis dans le Fichier Supplémentaire 2.

Figure 5 : Évolution de la capacité de la batterie sur 100 cycles. (A) Données de cycle à l’aide d’un système de bain de circulation pour le contrôle de la température. De grandes variations de capacité ont été observées en raison des fluctuations de température et des problèmes de corrosion causés par la condensation sur les batteries. (B) Données de cycle utilisant la chambre basse température personnalisée présentée dans cet article, présentant un bruit nettement moindre. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figurine.

Données de cycle électrochimique :
Pour tester les performances de la chambre dans le maintien de la température lors des essais de batterie, des tests de cycle galvanostatique ont été réalisés sur quatre batteries à pile Li-ion 2032 commercialement disponibles. Ces piles à monnaie étaient cyclées à 0 ± 1 °C à un taux C de C/7 pendant 100 cycles, ce qui prenait ~3 mois. Les résultats sont présentés à la Figure 5B. Ces données sont comparées à une génération précédente de chambre thermique, qui utilisait une chambre en aluminium isolée au polystyrène avec un bain circulant contenant une solution antigel. La méthode du bain de circulation entraînait de grandes écarts dans les capacités des cellules mesurées, comme observé à la Figure 5A, et entraînait la corrosion des cellules lors de cycles répétés. La nouvelle conception de chambre rapportée ici montre une amélioration significative des capacités des cellules mesurées, soulignée par une meilleure stabilité de la température, l’absence de corrosion des cellules et une réduction significative du bruit dans les données.

Le bon fonctionnement de la chambre sera indiqué par une température constante maintenue avec seulement de légères fluctuations, et des données électrochimiques exemptes de changements inexpliqués ou soudains tels que des tensions erratiques ou des augmentations et diminutions soudaines de la capacité des cellules. Après l’assemblage initial et la mise en marche de la chambre, il est conseillé d’enregistrer la température dans la chambre pendant 24 heures jusqu’à plusieurs jours afin de s’assurer qu’il n’y ait pas de hausse ou de diminution progressive de la température qui indiquerait que les réglages du réfrigérateur doivent être ajustés pour optimiser la dissipation de la chaleur.

Fichier supplémentaire 1 : fichiers STL pour l’impression 3D. Les fichiers incluent Gasket Jig.stl, Heat Sink Clamp.stl, On-Off Mount.stl, Protoboard Mount.stl, Wire-Alligator Converter .stl, Wiring Station Bottom.stl, Wiring Station Top.stl, Chamber.stl et Chamber Lid.stl. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Fichier supplémentaire 2 : Instructions d’impression et caractérisation de la température. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Fichier supplémentaire 3 : Fichiers STL pour imprimer en 3D le couvercle principal et le porte-couvercle. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Discussion

Étapes clés :
Plusieurs étapes du protocole sont essentielles pour assurer le bon fonctionnement de la chambre froide. Il convient d’être prudent avec les connexions des fils, car elles sont nécessaires au bon fonctionnement des circuits et à la collecte de données précise. Des connexions de câblage défectueuses peuvent entraîner des lectures de tension erratiques et peuvent être évitées en utilisant un voltmètre pour tester les connexions avant d’introduire les piles à pièces dans la chambre.

Les fuites d’air doivent être évitées car elles permettraient d’introduire plus d’humidité dans la chambre, qui pourrait se condenser sur les cellules et provoquer de la corrosion. L’usinage précis du couvercle et des autres trous, ainsi qu’un scellement soigneux avec le matériau du joint et la graisse, contribueront à garantir la fiabilité et les performances à long terme de la chambre. Si la chambre n’est pas hermétique, la condensation sur les cellules peut entraîner une corrosion, généralement indiquée par des performances erratiques des cellules, telles que des augmentations ou diminutions soudaines de la capacité des cellules, et lorsque les cellules sont retirées des supports de cellule, elles peuvent sembler fuir ou décolorées.

Enfin, il est important de s’assurer que le thermocouple utilisé pour l’enregistrement des données est précisément calibré et positionné avant de le sceller dans la chambre pour enregistrer de manière fiable la performance thermique de la chambre.

Modifications :
Bien que cette chambre de température soit spécifiquement conçue pour des expériences de 2032 cellules à monnaie à 0 °C, cette conception générale peut être modifiée et optimisée pour un large éventail d’expériences ayant des exigences environnementales similaires. Les porte-cellules pour cellules 2032 pourraient facilement être remplacées par celles pour différentes cellules à pièces. Différentes géométries de batterie (par exemple, cylindrique, poche) pouvaient également être prises en compte en changeant les supports de batterie, mais cela pouvait nécessiter d’augmenter les dimensions de la chambre. La chambre pouvait atteindre des températures plus basses en augmentant la puissance des modules thermoélectriques à plus de 12 V. Les modules thermoélectriques utilisés dans cette conception sont conçus pour fournir un refroidissement à -40 °C. Cependant, une meilleure dissipation de la chaleur serait nécessaire, ainsi que des tests pour évaluer les gradients de température à l’intérieur de la chambre et garantir le bon fonctionnement de tous les composants à cette température réduite. Une carte de circuit imprimé pouvait être utilisée à la fois pour enregistrer les données et contrôler les modules thermoélectriques afin d’éliminer le besoin de deux thermocouples. Enfin, si la chambre est principalement utilisée pour le contrôle de l’humidité et que le contrôle précis de la température n’est pas un problème, la conception du couvercle et de la chambre peut être utilisée sans les modules thermoélectriques, le système de contrôle et les composants de dissipation thermique.

Dépannage :
En raison de la simplicité de la conception, la plupart des problèmes potentiels rencontrés devraient être relativement simples à corriger. La corrosion des piles indique probablement une fuite d’air, et s’assurer que tous les trous sont bien scellés devrait être la première action contre cela. Des données bruyantes de cycle de batterie indiquent probablement un problème de câblage ou un mauvais contact physique avec les porte-batteries, qui peut être corrigé en améliorant les connexions. Cela peut aussi indiquer que de la condensation se forme sur les cellules, pouvant entraîner de la corrosion, il faut donc vérifier le système pour s’assurer qu’il est hermétique. L’incapacité à atteindre la température souhaitée peut être due à de nombreux facteurs, tels qu’une mauvaise application de la graisse thermique, la tentative d’atteindre une température souhaitée en dehors de la plage des modules thermoélectriques, un courant et une tension insuffisants fournis aux modules, ou une dissipation thermique inefficace.

Limites :
Une limitation principale de cette conception de chambre est la nécessité de retirer les quatre batteries pour en traiter l’une ou l’autre. Cela expose les quatre batteries à d’autres environnements lorsqu’il faut en retirer une. Ce problème est difficile à atténuer avec la conception actuelle. Une autre limitation est que si l’alimentation est perdue dans les modules thermoélectriques, la température dans la chambre augmente rapidement. Ainsi, il est primordial de s’assurer que l’alimentation ne sera pas perdue pour les modules. Utiliser une alimentation électrique ininterrompue et/ou un générateur de secours pour éviter les variations de température indésirables pourrait être bénéfique si les coupures de courant sont un problème.

Importance :
Les batteries continuent de souffrir d’une baisse significative de performance à basse température, ce qui en fait une importance croissante pour de nouveaux efforts de recherche sur ce problème. Cette conception de chambre thermique a été conçue spécifiquement pour faire circuler les batteries à piles à pièce 2032 à basse température tout en limitant la condensation et la corrosion. Un autre objectif clé était de produire un design économique et facile à assembler. Les alternatives commerciales spécialement conçues à ce modèle sont généralement coûteuses, et d’autres options peu coûteuses, par exemple l’utilisation d’un réfrigérateur standard, ne préviennent pas complètement la condensation et peuvent présenter une variation de température^{accrue 2,3,14}. Par conséquent, cette conception peut être une option peu coûteuse et rapide à mettre en œuvre pour les chercheurs souhaitant réaliser des études de cycle de batterie à basse température sans contrainte dans leur budget de recherche.

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Vis à capuchon 1/4 »-20 x 1 »	Grainger	4XE35	besoin de 9 ; 8 pour les dissipateurs thermiques, 1 pour le couvercle
Ventilateurs 12 V	Digikey	2223-CFM-9225C-130-356-ND	besoin de 2 ; Utilisé pour faire circuler l’air vers les dissipateurs thermiques
Connecteur AC vers 12 V 10 A	Digikey	AD-EL-1201200-Z	Convertit l’énergie murale & NBSP ;
Résine acétale	McMaster	8575K148	Crosse 1,5 » x 6 » x 6 »
Supports de batterie	Digikey	36-1086-ND	besoin de 4 ; 2 en plus
Curseur de câblage de batterie	N/A	N/A	Imprimé en 3D à partir de l’APL
Datalogging Thermocouple	ExTech	872501-S	Un thermocouple préféré peut être remplacé
Conseil de développement électronique	Adafruit	3000	voir Fichier Supplémentaire 2
Système de journalisation électronique de la Téméprature	Arduino	A000066	voir Fichier Supplémentaire 2
Frigo	Chef Magique	MCR170BE	Un réfrigérateur standard peut être remplacé
Gabarit de joint	N/A	N/A	Imprimé en 3D à partir de l’APL
Matériau du joint	McMaster-Carr		5542N125
Dissipateur thermique	Digikey	345-127709-ND	besoin 1 ; Découpé en 2 dissipateurs thermiques
Pince de dissipateur thermique	N/A	N/A	Imprimé en 3D à partir de l’APL
Colle instantanée	Loctite	234790	Aussi connu sous le nom de Super Glue
Porte-couvercle	N/A	N/A	Imprimé en 3D à partir de l’APL
Collier de serrage long	Digikey	2162-AL-14-50-0-C-ND	Pack de 100, il en faut 4 ou moins
Ensemble de sertissage homme/femme	Mouser	474-PRT-10501	J’en ai besoin de 8, je devrais aussi avoir 4 pièces de rechange
Contrôleur ON/OFF	Amazon	7.38587E+11	Pack de 2
Alimentation vers un connecteur à 2 fils	Digikey	CP-024A-ND	besoin 1
Protoboard	Adafruit	1609	besoin 1
Protoboard Mount	N/A	N/A	Imprimé en 3D à partir de l’APL
Collier de serrage court	Southwire	BL4M2-C	Pack de 100
Gel de silice	McMaster	2189K14	utilisé pour absorber toute humidité supplémentaire
Silicone	Loctite	908570	Il faut très peu
Connecteurs à pelle	McMaster	7060K79	J’en ai besoin de 8, je devrais prendre des pièces de rechange
Fils bribrés 22 AWG	Adafruit	3175	Le câblage préféré peut être remplacé
Support d’interrupteur	N/A	N/A	Imprimé en 3D à partir de l’APL
Couvercle temporaire	N/A	N/A	Imprimé en 3D à partir de l’APL
Graisse thermique	Wakefield	120-5	Il faut très peu
Modules thermoélectriques	DigiKey	102-1682-ND	besoin de 2 ; Produit du fabricant # : CP85438
Thermomètre	ExTech	EA15	Un thermomètre préféré peut être substitué
Graisse sous vide	DuPont	2708493	Il faut très peu
Convertisseur fil-alligator	N/A	N/A	Imprimé en 3D à partir de l’APL
Fond de la station de câblage	N/A	N/A	Imprimé en 3D à partir de l’APL
Haut de la station de câblage	N/A	N/A	Imprimé en 3D à partir de l’APL