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

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 des 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. 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.

Cependant, les équipements de cyclage de batterie basse température disponibles dans le commerce tendent à être coûteux, ce qui empêche que ces études soient réalisées dans des centres de recherche ne se concentrant pas sur des expériences non ambiantes. Nous rapportons ici une conception simple et rentable de chambre de chambre, facile à assembler et rapide à mettre en œuvre, permettant de mener davantage de recherches sur les batteries à basse température. Cette conception permet une température fiable à quatre piles à pièces 2032 dans des environnements à faible humidité afin de réduire les problèmes de corrosion et de condensation.

Dans ce protocole, nous allons passer en revue les principales étapes de fabrication de la chambre avant de démontrer comment l’utiliser. Des instructions supplémentaires sont fournies dans le texte intégral. D’abord, imprimez en 3D tous les fichiers STL supplémentaires sauf les fichiers de chambre et de couvercle de chambre à l’aide de PLA.

Ensuite, moudre le bloc de résine d’acétol aux dimensions fournies. Nous utilisons une fraiseuse CNC ou manuelle pour créer la chambre principale et le couvercle, afin de montrer la chambre et les dossiers supplémentaires du couvercle de chambre. Coupez aussi les dissipateurs thermiques à leur taille et percez les trous traversants selon le fichier de disposition des trous.

Vous devriez maintenant avoir toutes les pièces qui nécessitent un atelier mécanique. Faites glisser les quatre porte-piles à travers le coulisseur de câblage puis à travers le couvercle. Assurez-vous que chaque onglet du support de batterie est en position marche.

Connectez tous les câblages de la figure 2 sauf les modules thermoélectriques et les ventilateurs 12 volts. Ces éléments seront connectés plus tard. Soudez les lignes 12 volts et la terre à l’alimentation vers un connecteur 2 fils.

Créez les joints en coupant d’abord le matériau du joint à l’aide d’un outil de coupe et du gabarit pour obtenir deux joints. Appliquez une légère pression pour éviter de tirer le joint de sous le gabarit et de trop couper. Placez le joint dans l’une des poches latérales de la chambre principale afin qu’il soit bien à plat dans la poche.

Faites passer les fils du module thermoélectrique par les trous latéraux de la chambre principale, avec le côté froid numéroté des modules thermoélectriques orienté vers l’intérieur de la chambre. Appliquez une fine couche mais complète de graisse thermique sur le côté chaud thermoélectrique non numéroté. Appliquez un anneau fin de silicone sur la chambre située à l’extérieur du module thermoélectrique.

Placez soigneusement un dissipateur thermique au-dessus de la chambre principale. Visser les dissipateurs thermiques dans la chambre principale pour presser le silicone. Cela formera un joint hermétique.

Enlève tout excès de silicone. Répétez des deux côtés. Après avoir glissé le couvercle et les thermocouples dans la chambre, placez les deux ventilateurs de 12 volts de chaque côté des dissipateurs thermiques.

Orientez-le pour souffler dans les dissipateurs thermiques. Utilisez trois longs colliers de serrage pour serrer les ventilateurs en place. Fixez le support de l’interrupteur et le support protoboard aux impressions du serre-dissipateur thermique avec de la colle instantanée.

Faites glisser les supports sur la rangée supérieure des dissipateurs. Placez la protocarte, l’interrupteur marche-arrêt, le contrôleur et le matériau isolé à leurs emplacements respectifs sur les supports. Après avoir organisé les fils, soudez les connexions des modules thermoélectriques et des ventilateurs de 12 volts.

La chambre est désormais entièrement assemblée. Pour refroidir la chambre à la température appropriée, éteignez les modules thermoélectriques avec l’interrupteur manuel marche-arrêt. Réglez la manette en mode refroidissement.

Réglez la température désirée à 0 degré Celsius et la différence d’arrêt à 0,1 degré Celsius. Réglez la plage de températures à -55 à 24 degrés Celsius pour éviter une surchauffe extrême ou un sur-refroidissement dans des situations extrêmes. Après avoir connecté le thermocouple de journalisation des données au thermomètre et placé la chambre dans le réfrigérateur, rallumez l’interrupteur marche-arrêt.

La chambre est maintenant prête à être utilisée. 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 avec votre main et posez-le sur une surface plane ou dans le porte-couvercle imprimé en 3D fourni, puis remplacez-le par un couvercle temporaire. Ouvrez les porte-piles que vous souhaitez remplacer et placez la pile à monnaie à l’intérieur du porte-piles. 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. Remplacez le couvercle principal. Il peut falloir jusqu’à deux heures pour que la température se rééquilibre à l’intérieur de la chambre.

Afin d’évaluer la fiabilité de la chambre pour maintenir une température constante de 0 degré Celsius, ses performances ont été testées de trois manières. D’abord, nous avons utilisé un enregistreur automatisé de données de température pour mesurer les gradients de température à travers la chambre. La variation de température dans toute la chambre était constante et ne variait que de 4 degrés Celsius.

Deuxièmement, la stabilité de température de la chambre nouvellement assemblée a été surveillée sur une seule journée, qui a maintenu une variation de température de 13 degrés Celsius. Pour tester les performances à long terme, après sept mois d’utilisation, une mesure d’une semaine a été effectuée, qui a montré une variation de température légèrement réduite de 75 degrés Celsius. Enfin, quatre piles lithium-ion 2032 ont été cyclées 100 fois pendant trois mois.

Les données de cyclage montrent des performances constantes et un faible bruit au cours de cette expérience. Ces résultats démontrent que la chambre peut maintenir une température constante et permet de réaliser de manière fiable les expériences de cycle électrochimique à basse température. Nous avons présenté ici un design simple pour permettre un cycle de batterie à basse température économique pour les cellules à pièces 2032 dans un environnement à faible humidité.

Le test de performance montre que cet appareil présente des performances fiables à long terme avec des variations de température inférieures à un degré Celsius.