עיצוב תא סוללה של תא מטבע לניסויי אופראנדו בטמפרטורות נמוכות

Aaron Dubois; Shintaro Inaba; Eric Novak; Paul Jacobs; Steven Palmer; Hillary Smith

doi:10.3791/68972

מאמר שיטה

עיצוב תא סוללה של תא מטבע לניסויי אופראנדו בטמפרטורות נמוכות

DOI:

10.3791/68972

⸱

17 בפברואר 2026

Aaron Dubois¹ , Shintaro Inaba¹ , Eric Novak¹ , Paul Jacobs¹ , Steven Palmer¹ , Hillary Smith¹

¹Department of Physics and Astronomy, Swarthmore College

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מוצג עיצוב שיאפשר מחזור סוללות בטמפרטורות נמוכות בעלות חסכונית לתאי מטבע 2032 בסביבה עם לחות נמוכה. התאים ממוחזרים בטמפרטורה של 0 מעלות צלזיוס בתוך תא המקורר על ידי מודולים תרמואלקטריים. עיצוב פשוט זה יכול להיות מותאם לניסויים שדורשים סביבות דומות של תרמיות ולחות או גיאומטריות סוללות שונות.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ככל שאנו תלויים יותר בסוללות נטענות שמפעילות את המכשירים שלנו, חשוב יותר ויותר להבין את הפחתות הקיבולת והביצועים שמתרחשות בסביבות קרות. מחקר המתמקד בביצועי מחזור הסוללות בטמפרטורות נמוכות הוא חיוני להכוונת עיצוב ואופטימיזציה של סוללות מתקדמות. עם זאת, ציוד מחזור סוללות בטמפרטורות נמוכות הזמין מסחרית נוטה להיות יקר, מה שמונע ביצוע מחקר על מחזורים בטמפרטורות נמוכות ברבים מהמוסדות. להלן עיצוב פשוט וחסכוני של תא טמפרטורה, שקל להרכיבתו וליישום במהירות. עיצוב זה מאפשר שליטה אמינה בטמפרטורה עבור ארבעה תאי מטבע 2032 בסביבות לחות נמוכה, ובכך מפחית בעיות קורוזיה ועיבוי. נתוני מחזור אלקטרוכימי מדגימו את התפתחות קיבולת התא ב-T = 0 ± 1 °C במשך 100 מחזורים בקצב C של C/7. ניתן להוריד את הטמפרטורה ל-5- מעלות צלזיוס בעיצוב הנוכחי, ושינויים קטנים יאפשרו טמפרטורות נמוכות אף יותר. בנוסף, עיצוב זה יכול להיות מותאם בקלות כדי להתאים לסוגים אחרים של סוללות או להגדלת מספר הדגימות הנמדדות.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ככל שהעולם נעשה מחושמל יותר ויותר, הסוללות ממלאות תפקיד מרכזי בהנעת המכשירים שלנו. מהנעת כלי הרכב החשמליים שלנו ועד אספקת אגירת אנרגיה למקורות אנרגיה מתחדשים ברמת הרשת, נהיה חשוב יותר ויותר לפתח סוללות שמפגינות ביצועים גבוהים במגוון רחב של ^אקלים. ביצועי הסוללה לעיתים קרובות מופחתים בסביבות קרות, מה שמחייב מחקר נוסף המתמקד בחקירות סוללות בטמפרטורות נמוכות ^3,4. עם זאת, ציוד מחזור סוללות בטמפרטורות נמוכות הזמין מסחרית נוטה להיות יקר, מה שמונע ביצוע מחקרים אלו במתקני מחקר שאינם מתמקדים בדרך כלל בניסויים שאינם סביבתיים.

רבים מיישומי הסוללות צריכים להבין התנהגות בטמפרטורות נמוכות רק בטמפרטורות מתונות המתקרבות ל-0°C או מעט נמוכות⁵. למרות טווח הטמפרטורות המוגבל הזה, סוללות ממשיכות להראות ירידות משמעותיות בקיבולת הכוללת, בביצועים ובתכונות הטעינה בטמפרטורות נמוכות ^6,7. לדוגמה, סוללות ליתיום-יון מסחריות שומרות רק על 10% מקיבולת טמפרטורת החדר שלהן בטמפרטורה של −40°C ^8.9. כל רכיבי התא, כולל קתודה, אנודה ואלקטרוליט, מתועדים על השפעות בטמפרטורות לא סביבתיות ^6,7,10. נושא זה הופך לחשוב יותר ויותר בעקבות הופעת רכבים חשמליים לאחרונה ומקשה על השימוש בסוללות נטענות במדינות עם אקלים חורפי קפוא ^11,12. ביצועי הסוללות בסביבות מזג אוויר קר יכולים להיות מאופטמים רק אם נעשיר את הבנתנו את התהליכים המורכבים שמתרחשים בטמפרטורות נמוכות.

סוללות תאי מטבע משמשות בדרך כלל להפעלת מכשירים אלקטרוניים ניידים קטנים בזכות העיצוב הקומפקטי שלהן. הן גם משמשות לעיתים קרובות במעבדות מחקר לבדיקת כימיות סוללות חדשות וביצועי המכשירים הכלליים. תאי מטבע קלים להרכבה והם זולים, מה שמאפשר לחוקרים לבדוק במהירות אב-טיפוס חדשים לפני שהם מתרחבים לסוללות גדולות, מורכבות ויקרות יותר. הגודל הקטן שלהם מאפשר להם גם להתאים בקלות לציוד דגימה בטמפרטורה נמוכה, ומאפשר חקירות באמת באופרנדו ובשטח . לכן, תאי מטבע הם בחירה מצוינת למחקרי סוללות תלויי טמפרטורה, ויש צורך ברור בתא בטמפרטורה נמוכה (≈ 0 מעלות צלזיוס) במחיר נגיש, המיועד במיוחד לבדיקות סוללות תא מטבע לא סביבתיות¹³. מקררים מסחריים למגורים יכולים לספק בקלות את הטמפרטורות הנמוכות הנדרשות לניסויים אלה, אך היעדר ויסות לחות גורם לבעיות קורוזיה ומקשה על דיוק המדידות. ציוד מסחרי מיוחד נוטה להיות מותאם למעבדות מחקר סוללות בקנה מידה גדול, לעיתים מודד עשרות או מאות סוללות בו זמנית. ציוד זה יקר ועלול להיות יקר למעבדות מחקר עם תקציבים קטנים יותר.

אנו מדווחים כאן על עיצוב תא פשוט, חסכוני בטמפרטורה נמוכה, שקל להרכבה ומהיר ליישום, מה שמאפשר מחקר נוסף על סוללות בטמפרטורות נמוכות. עיצוב זה מאפשר שליטה אמינה בטמפרטורה עבור ארבעה תאי מטבע 2032 בסביבה עם לחות נמוכה, כדי להפחית בעיות קורוזיה ועיבוי. הוא מספק אלטרנטיבה חסכונית לציוד מסחרי לבקרת טמפרטורה שניתן ליישם במעבדות מחקר קטנות. העיצוב הפשוט ניתן להרכבה בקלות בפחות משבוע באמצעות עיבוד מינימלי, חלקים זמינים מהמדף, וכן חלקים מותאמים אישית שניתן לייצר עם מדפסת תלת-ממד באמצעות הקבצים שסופקו. העלות הכוללת היא כ-870 דולר, אך בהתחשב בכך שרבים מהחומרים הללו זמינים באופן נפוץ ואולי כבר נמצאים במעבדות מחקר, עלות הייצור הכוללת של המכשיר יכולה להיות נמוכה משמעותית. מסופק מדריך שלב אחר שלב כיצד להרכיב את המערכת.

היעילות של העיצוב מודגמת באמצעות מחזור אופראנדו גלוונוסטאטי בתנאי טמפרטורה לא סביבתית (0 מעלות צלזיוס) ומוכח כמתאים לרכיבה ארוכת טווח לאורך מספר חודשים. ביצועי בקרת הטמפרטורה וייצוג תלת-ממדי של התפלגות הטמפרטורה בתוך החדר מוצגים גם הם. למרות שתוצאות אינן מוצגות כאן, ניתן להשתמש בתא גם לניסויים אלקטרוכימיים נוספים של אופראנדו, כולל וולטמטריה מחזורית וספקטרוסקופיה של התנגדות חשמלית. נדונים שינויים בעיצוב זה שיאפשרו מגוון רחב יותר של מדידות אופראנדו, וכן הפוטנציאל להרחיב את טווח הטמפרטורות של החדר.

המטרות העיקריות של תא טמפרטורה זה הן שליטה אמינה בטמפרטורה תוך הגבלת עיבוי, מה שמאפשר מחזור של ארבעה תאי מטבע 2032 בתנאים אלו. הקירור הראשי מתקבל באמצעות מיני-מקרר מסחרי, אך השינויים בטמפרטורה אינם אמינים למטרות ניסוי. לכן, עיצוב זה משתמש בבקר הפעלה-כיבוי ששולט בשני מודולים תרמו-אלקטריים כדי לווסת עוד יותר תא קטן אטום העשוי משרף אצטל. גופי חום ומאווררים מפזרים חום, ומאפשרים למודולים התרמו-אלקטריים לשמור על הבדל טמפרטורות קטן. הפידות הממוקמות על המכסה מאפשרות שמונה חוטים לעבור דרכו כדי לאפשר מחזור סוללה. ייצוג סכמטי של חתך רוחב של העיצוב מיוצג באיור 1A.

figure-introduction-1
איור 1: תא טמפרטורה. (A) איור של תא הטמפרטורה הנמוכה עם רכיבים מסומנים. (B) תא הטמפרטורה המורכב. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. ייצור התא

רכיבי הדפסה תלת-ממדית
1. הדפסו בתלת-ממד את כל קבצי ה-STL בקובץ המשלים 1 (Gasket Jig.stl, Heat Sink Clamp.stl, On-Off Mount.stl, Protoboard Mount.stl, Wire to Alligator Converter.stl, Wiring Station Bottom.stl, ו-Wiring Station Top.stl), למעט קבצי Chamber.stl ו-Chamber Lid.stl, תוך שימוש בחומצה פולילקטית (PLA).
  הערה: הוראות ההדפסה הן חלק מתיק המשלים 2. בחלק הראשון של הפרוטוקול הזה, חלקים מטבלת החומרים יוטליקו, וחלקים מודפסים בתלת-ממד יקבלו את ההרחבה שלהם (.stl).
טחינת התא הראשי, המכסה וגיורי הקירור
1. לטחון את בלוק השרף האצטל לבלוקים בגודל 4 אינץ' × 3.5 אינץ' × 1.5 אינץ' ו-1.45 אינץ' × 1.45 אינץ' × 1.125 אינץ'.
  אזהרה: עיבוד שבבי עלול להיות מסוכן ולגרום לפציעה אישית. שלבים הכוללים עיבוד שבבי לאורך פרוטוקול זה צריכים להתבצע רק על ידי אנשי מקצוע מיומנים.
2. השתמש בבקרה מספרית ממוחשבת (CNC) או במכונת עיבוד ידנית ליצירת התא הראשי והמכסה כפי שמוצג בקבצי Chamber.stl ו-Chamber Lid.stl בקובץ המשלים 1.
  הערה: יש לעבד את המכסה כדי להבטיח התאמה אטומה לאוויר. ניתן להוסיף טבעת O להשגת אטימה טובה יותר.
3. חתוך את גוף הקירור לשני פרופילים בגודל 4" על 3.5".
4. קדחו דרך חורים לפי קובץ Layout.pdf חורים בתיק המשלים 1.
5. קדחו חורים בסנפירים של גוף הקירור כדי לפנות מקום לראשי הברגים של המכסה.
6. הברג בורג בגודל 1/4"-20 X 1" לחלק העליון של המכסה. הבריח הזה מאפשר הסרת המכסה בקלות מהתא.
7. העבירו את ארבעת מחזיקי הסוללה דרך מחווט הסוללה ואז דרך המכסה. ודא שכל לשוניות מחזיקי הסוללה נמצאות במצב ON.
8. הוסיפו סיליקון לכל חורי החוטים שנכנסים למכסה ותנו להם להתייצב.
  הערה: כל פסולת כימית שנוצרת במהלך הליך זה צריכה להיפטר בהתאם להנחיות היצרן ולגיליונות בטיחות החומרים.
הרכבת האלקטרוניקה
אזהרה: סכנות חשמליות. כל העבודה החשמלית צריכה להתבצע על ידי איש מקצוע מוסמך.
1. חבר את כל החיווט באיור 2 למעט המודולים התרמואלקטריים ומאווררי 12 וולט. אלה יחברו מאוחר יותר.
2. הלחם את קווי ה-12 וולט וההארקה לספק הכוח למחבר הדו-חוטי.
  אזהרה: סכנות הלחמה כוללות פגיעות תרמיות וסכנות שאיפה. העבודה צריכה להתבצע רק על ידי איש מקצוע מיומן באזור מאוורר היטב.
הרכבת התא
1. צור את האטמים על ידי חיתוך חומר האטמים באמצעות כלי חיתוך ו-Gasket Jig.stl (קובץ משלים 1) ליצירת שני גסקטים. הפעיל לחץ קל כדי לא למשוך את האטם מתחת לג'יג ולחתוך יותר מדי.
2. הניחו אטם באחד מכיסי הצד של התא הראשי כך שיהיה שטוח בכיס.
3. הכניסו את חוטי המודול התרמואלקטרי דרך החורים הצדדיים בתא הראשי, כאשר הצד הקר (הקר) של המודולים התרמו-אלקטריים פונה אל תוך התא.
4. מרחו שכבה דקה אך מלאה של שומן תרמי על הצד התרמואלקטרי הלא ממוספר (חם).
5. מרח טבעת דקה של סיליקון על התא מחוץ למודול התרמואלקטרי.
6. הנח בזהירות גוף קירור מעל התא הראשי. ברגים 1/4"-20 x 1" בוגני הקירור לתא הראשי כדי לדחוס את הסיליקון. זה ייצור אטימה אטומה לאוויר. הסר כל סיליקון עודף.
7. חזור על זה משני הצדדים. חכה שהסיליקון יתייצב.
8. ציפוי את החלק התחתון של צידי מכסה החדר בשכבה דקה של גריז ואקום והחליק אותו לתוך החדר.
9. החליק את תרמוקופל ללוחמת הנתונים ואת התרמוקפל של בקר ההפעלה/כיבוי לתוך החורים המתאימים בצד התא.
10. הוסף סיליקון לכל חורי החוטים שנכנסים לתא ותן לו להתייצב.
11. הנח את שני מאווררי 12 וולט משני צידי גופי הקירור, מכוונים לנשוף לתוך גופי הקירור. השתמש בשלושה אזיקי זיפ ארוכים כדי להדק את המאווררים כפי שמוצג באיור 1B.
הרכבת התושבים והחיווט
1. הדביק את Switch Mount.stl ואת Protoboard Mount.stl בקובץ המשלים 1 להדפסות מהדק ה-Heat Sink עם דבק מיידי.
  אזהרה: סכנה כימית. השתמש בכל הכימיקלים לפי הוראות היצרן.
2. החליק את המתלים לשורה העליונה של גופי הקירור. הניחו את הפרוטובורד, מתג ההפעלה/כיבוי, הבקר וחומר הבידוד במקומם המתאים על התושבים. ודא שמתג ההפעלה/כיבוי מוחזק במצב ההרכבה שלו באמצעות סרט דבק דו-צדדי. השתמש בחתיכת פלקסיגלס או כל חומר בידוד אחר והחליק אותו לתוך ה-Protoboard Mount.stl מעל הפרוטובורד כדי למנוע קצר מקרי.
3. באמצעות מערכת הקרימפ הזכרית/נקבית, הקמט את המחברים הזכריים על החוטים של כל מחזיק סוללה. השתמש בחוטי 22 AWG Gauge ובמחברי חוטים כדי לחבר את החוטים לאן שצריך. מומלץ להשתמש בפליירים עם אף מחט לאחיזה בצד הזכר בעת הפרדת המחברים הללו כדי למנוע עומס יתר על החוטים עצמם.
4. השתמש בהדפסות תלת-ממד של תחנת החיווט Bottom ו-Top.stl (קובץ משלים 1) כדי לארגן את החוטים.
5. השתמש במחברי Spade ובהדפסת תלת-ממד Wire to Alligator Converter.stl (קובץ משלים 1) כדי לאפשר חיבור בסגנון אליגטור לתאים.
ההרכבה הסופית
1. לאחר ארגון החוטים, הלחם את החיבורים של המודולים התרמואלקטריים ומאווררי 12 וולט. התא כעת מורכב במלואו.

figure-protocol-1
איור 2: סכמת מעגל חשמלי למעגל השולט במערכת הקירור של החדר. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

2. שימוש בתא

שליטה בלשכה
1. כדי לקרר את התא לטמפרטורה המתאימה, כבה את המודולים התרמו-אלקטריים עם מתג הפעלה/כיבוי ידני. התחבר לספק הכוח.
2. הגדר את השלט למצב קירור. הגדר את הטמפרטורה הרצויה ל-0 מעלות צלזיוס ואת הפרש ההפעלה ל-0.1 מעלות צלזיוס. הגדר את טווח הטמפרטורות ל-55- °C עד 24°C כדי למנוע התחממות יתר קיצונית או קירור יתר במקרים חריגים.
  הערה: כוונו את הטמפרטורה במקרר כך שתהיה מעט חמה יותר (~2 מעלות צלזיוס) מהטמפרטורה הרצויה. טמפרטורת המקרר צריכה להיות חמה מהטמפרטורה הרצויה כדי שבקר ההפעלה/כיבוי ישמור על הטמפרטורה הרצויה, אך הטמפרטורה לא יכולה להיות חמה מדי, אחרת המודולים התרמואלקטריים לא יוכלו להגיע לטמפרטורה הרצויה.
טמפרטורת כריתה
1. חבר את תרמוקופל הנתונים למדחום והנח את התא במקרר.
2. הגדר את המדחום להישאר דולק ללא הגבלת זמן וקלט את הטמפרטורה כל כמה שניות במשך 24 שעות.
  הערה: אם הטמפרטורה פועלת כראוי, לא צריכה להשתנות יותר מ-± 1 מעלות צלזיוס.
3. כשאתה מוכן להתחיל להתקרר, הפעל את מתג הדלקה/כיבוי הידני. התא מוכן כעת לשימוש.
פתיחת התא והוספת סוללה
הערה: אם סוללות נמדדות באופן פעיל, יש לבצע החלפות דגימות במהירות כדי למנוע שינויים גדולים בטמפרטורה ולהפחית עיבוי על הסוללות. בזמן שהעבודה מתבצעת על המכסה הראשי, ניתן להדפיס מכסה זמני בתלת-ממד כדי להחליף את המכסה הראשי במהלך החלפת דגימות באמצעות Temp Lid.stl הכלול בתיק המשלים 3.
1. כדי לפתוח את התא ולהוסיף או להסיר סוללות, יש למקם מברג מתחת לבורג המכסה. באמצעות הקצה החיצוני כנקודת משען, לחץ כלפי מטה על ידית המברג. לאחר שהמכסה רופף, שלפו אותו ביד והניחו אותו על משטח שטוח או השתמשו ב-Lid Holder.stl הכלול בתיק המשלים 3 כדי להדפיס תלת-ממד מחזיק מכסה. החלף את מכסה התא במכסה זמני.
2. פתח את מחזיקי הסוללה להחלפה והניח את תא המטבע בתוך המחזיק.
3. הסר את המכסה הזמני ואז את שקית הסיליקה ג'ל שבתוך החדר. נגב כל לחות עם מטלית והחלף את שקית הסיליקה ג'ל בתא כדי לספוג לחות נוספת.
4. החלף את המכסה הראשי והחזר את התא למקרר.
  הערה: ייתכן שייקח עד שעתיים עד שהטמפרטורה תתאזן מחדש בתוך החדר.
אופירנדו אופניים בטמפרטורה נמוכה
1. בצע את ניסויי המחזור לאחר שמגיעים לטמפרטורה הרצויה.
2. המשך לרשום את הטמפרטורה כדי לוודא שהתא נשאר בטמפרטורה הרצויה.

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ביצועי התא נבדקו בשלוש דרכים: (1) מדידת שיפועי הטמפרטורה ברחבי החדר, (2) ניטור הטמפרטורה במשך תקופה של 24 שעות לאחר הבנייה הראשונית ו-168 שעות לאחר 7 חודשי שימוש, ו-(3) איסוף נתוני מחזור לתאי מטבעות סוללות ליתיום-יון במשך 100 מחזורים או ~3 חודשים. תוצאות אלו, שיידונו להלן, מראות כי התא מסוגל לשמור על טמפרטורה קבועה במשך מספר חודשים עם שינוי טמפרטורה ממוצע של פחות מ-0.75 מעלות צלזיוס, מה שמוביל לנתוני מחזור אלקטרוכימיים עקביים.

figure-results-1
איור 3: תלות תלת-ממדית בטמפרטורה של תא הקור. מישור YZ הוא המישור המוצג באיור 1. נבנה מתעד נתוני טמפרטורה מותאם אישית בעל שני צירים שניתן היה להשתמש בו בתוך המקרר הקטן. כל נקודת נתונים מייצגת מדידת טמפרטורה ייחודית, מה שמוביל לשינוי כולל בטמפרטורה לאורך התא של ± 0.4 מעלות צלזיוס. תיאור נוסף של איסוף וניתוח נתונים מסופק בקובץ המשלים 2. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

שיפוע טמפרטורה:
השינוי בטמפרטורה לאורך התא היה יחסית עקבי והשתנה רק ± 0.4 מעלות צלזיוס, כפי שנראה באיור 3. השינוי הראה נפח מעט חם יותר קרוב יותר למודול התרמו-אלקטרי הימני, שיכול היה להיות בגלל שונות במודולים עצמם או מכמות הכוח המועברת לכל אחד.

פני השטח של המודולים התרמואלקטריים היו בעקביות כמה מעלות קר יותר מהאוויר הסמוך, ולכן חשוב לוודא שמחזיקי הסוללות לא יהיו במגע עם המודולים לניהול טמפרטורה מדויק. שימוש במדריך יישור מחזיק הסוללה הפחית את הסיכוי למגע בין המחזיקים למודולים.

figure-results-2
איור 4: שינוי טמפרטורה עם הזמן. (א) התפלגות הטמפרטורה הראשונית זמן קצר לאחר הבנייה מראה שינוי של ± 0.13 מעלות צלזיוס בטמפרטורה כאשר נמדדת כל 10 שניות לאורך תקופה של 24 שעות. (ב) לאחר 7 חודשי שימוש, התפלגות הטמפרטורות נמדדה כל 10 שניות במשך שבוע, מה שגרם לשינוי של ± 0.75 מעלות צלזיוס ביום. מידע נוסף על רכישת נתונים זו וההחלקה הגאוסית מסופק בקובץ המשלים 2. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

ניטור טמפרטורה:
השינוי הממוצע בטמפרטורה נמדד כל 10 שניות במשך 168 שעות לאחר 7 חודשי שימוש, וניתן לראות אותו יציב בתקופה זו באיור 4. הטבע הבלוקי של הנתונים באיור 4B נובע ככל הנראה מתנודות מהירות של הטמפרטורה. שיטת בקרה מתקדמת יותר יכולה לשמש להפחתת תנודות אלו במידת הצורך. הטמפרטורה הממוצעת השתנתה בתחילה ב-± 0.13 מעלות צלזיוס, כפי שמוצג באיור 4A, אך עלתה במשך 7 חודשים ל-± 0.75 מעלות צלזיוס כפי שמוצג באיור 4B. זה יכול להיות סימן לכך שהתא הופך לבלתי יציב יותר עם הזמן, אבל זה יכול להיות גם מגורמים אחרים, כמו עליית טמפרטורת הסביבה במעבדה. עם זאת, יציבות הטמפרטורה לאורך זמן משמעותית, ורמת שליטה זו בטמפרטורה בדרך כלל מספקת לרוב מחקרי סוללות בטמפרטורות נמוכות. פרטים נוספים על אפיון הטמפרטורה בתוך התא מסופקים בקובץ המשלים 2.

figure-results-3
איור 5: התפתחות קיבולת הסוללה לאורך 100 מחזורים. (א) מחזור נתונים באמצעות מערכת אמבטיה מחזורית לבקרת טמפרטורה. נצפו שונות גדולה בקיבולת בשל תנודות טמפרטורה ובעיות קורוזיה שנגרמו מעיבוי הסוללות. (ב) מחזור נתונים באמצעות תא טמפרטורה נמוכה מותאם אישית המוצג במאמר זה, עם רעש נמוך משמעותית. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

נתוני מחזור אלקטרוכימי:
כדי לבדוק את ביצועי התא בשמירה על טמפרטורה במהלך בדיקות הסוללה, בוצעו בדיקות מחזור גלוונוסטאטי על ארבע סוללות ליתיום-יון 2032 מסחריות. תאי המטבע הללו עברו מחזור בטמפרטורה של 0 ± 1 מעלות צלזיוס בקצב C/7 במשך 100 מחזורים, שלקחו ~3 חודשים. התוצאות מוצגות באיור 5B. נתונים אלו מושווים לדור קודם של תא טמפרטורה, שבו השתמש בתא אלומיניום מבודד בסטירופום עם אמבט סירקולציה המכיל תמיסת נוגד קיפאון. שיטת האמבטיה המחזורית גרמה לסטיות גדולות בקיבולת התאים הנמדדת, כפי שנצפה באיור 5A, וגרמה לקורוזיה של תאי הסוללה במהלך מחזורים חוזרים. עיצוב התא החדש המדווח כאן מראה שיפור משמעותי בקיבולת התאים שנמדדו, כאשר הוא מודגש על ידי שיפור ביציבות טמפרטורה, היעדר קורוזיה של תאים, והפחתה משמעותית ברעש בנתונים.

תפעול תקין של התא יוצג על ידי טמפרטורה קבועה עם תנודות קלות בלבד, ונתונים אלקטרוכימיים חופשיים משינויים בלתי מוסברים או פתאומיים כמו מתחים לא סדירים, או עליות וירידות פתאומיות בקיבולת התא. לאחר שהתא מורכב ומופעל לראשונה, מומלץ לרשום את הטמפרטורה בתא למשך 24 שעות ועד מספר ימים כדי לוודא שאין עלייה או ירידה הדרגתית בטמפרטורה שתצביע על צורך בכוונון הגדרות המקרר כדי למקסם את פיזור החום.

קובץ משלים 1: קבצי STL להדפסת תלת-ממד. הקבצים כוללים קבצי 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, ו-Chamber Lid.stl. אנא לחצו כאן להורדת הקובץ הזה.

קובץ משלים 2: הוראות הדפסה ואפיון טמפרטורה. אנא לחצו כאן להורדת הקובץ הזה.

קובץ משלים 3: קבצי STL להדפסה תלת-ממדית של המכסה הראשי ומחזיק המכסה. אנא לחצו כאן להורדת הקובץ הזה.

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

צעדים קריטיים:
ישנם מספר שלבים בפרוטוקול שהם קריטיים להבטחת ביצועים נכונים של תא הקירור. יש להיזהר בחיבורי החוטים, שכן הם הכרחיים כדי שהמעגלים יעבדו כראוי ויבטיחו איסוף נתונים מדויק. חיבורי חיווט פגומים עלולים לגרום לקריאות מתח לא יציבות וניתן למנוע זאת באמצעות מד מתח לבדיקת חיבורים לפני הכנסת תאי המטבע לתא.

יש להימנע מדליפות אוויר כי הן יאפשרו לחות נוספת לתוך התא, מה שעלול להתעבות על התאים ולגרום לקורוזיה. עיבוד מדויק של המכסה והחורים האחרים, כמו גם איטום מדויק עם חומר האטם והגריז, יסייעו להבטיח את האמינות והביצועים ארוכי הטווח של החדר. אם התא אינו אטום לאוויר, עיבוי על התאים עלול לגרום לקורוזיה שבדרך כלל מצביעה על ביצועי תאים לא יציבים, כמו עלייה או ירידה פתאומית בקיבולת התא, וכאשר מוסרים תאים ממחזיק התאים, הם עלולים להיראות כאילו הם דולפים או משנים צבע.

לבסוף, חשוב לוודא שהתרמוקפל המשמש לרישום נתונים מכוייל במדויק וממוקם כראוי לפני שמכניסים אותו לתא הוא חשוב לתיעוד אמין של ביצועי הטמפרטורה של התא.

שינויים:
בעוד שתא הטמפרטורה הזה תוכנן במיוחד לניסויי תאי מטבע ב-2032 בטמפרטורה של 0 מעלות צלזיוס, עיצוב כללי זה ניתן להתאמה ואופטימיזציה למגוון רחב של ניסויים עם דרישות סביבתיות דומות. מחזיקי תאי המטבע לתאי 2032 יכולים להיות מוחלפים בקלות באלו של תאי מטבע אחרים. גאומטריות סוללות שונות (למשל, גליליות, שקית) יכולות להתאים גם הן על ידי החלפת מחזיקי הסוללה, אך ייתכן שיהיה צורך להגדיל את ממדי התא. התא יכול להיות מסוגל להגיע לטמפרטורות נמוכות יותר על ידי הגדלת ההספק למודולים התרמו-אלקטריים ליותר מ-12 וולט. המודולים התרמואלקטריים המשמשים בעיצוב זה מדורגים לספק קירור עד -40°C. עם זאת, נדרש שיפור בפיזור החום, וכן בדיקות להערכת גרדיאנטים של הטמפרטורה בתוך התא ולהבטחת פעולה תקינה של כל הרכיבים בטמפרטורה הנמוכה הזו. לוח מעגלים מודפס יכול היה לשמש הן לרישום הנתונים והן לשליטה במודולים התרמו-אלקטריים, כדי להסיר את הצורך בשני תרמוקופלים. לבסוף, אם התא משמש בעיקר לבקרת לחות ושליטה מדויקת בטמפרטורה אינה מהווה בעיה, עיצוב המכסה והתא יכול לשמש ללא מודולים תרמואלקטריים, מערכת הבקרה וחלקי פיזור החום.

פתרון תקלות:
בגלל העיצוב הפשוט, רוב הבעיות הפוטנציאליות אמורות להיות יחסית פשוטות לתיקון. קורוזיה של הסוללות כנראה מעידה על דליפת אוויר, והבטחת סגירת כל החורים צריכה להיות הפעולה הראשונה נגדה. נתוני מחזור הסוללה הרועשים כנראה מצביעים על בעיית חיווט או מגע פיזי לקוי עם מחזיקי הסוללות שניתן לתקן על ידי שיפור החיבורים. זה גם יכול להיות סימן לכך שנוצרת עיבוי על התאים, שעלולה לגרום לקורוזיה, ולכן יש לבדוק את המערכת כדי לוודא שהיא אטומה לאוויר. אי היכולת להגיע לטמפרטורה הרצויה יכולה לנבוע מגורמים רבים, כגון מריחת שומן תרמי לא נכון, ניסיון להגיע לטמפרטורה רצויה מחוץ לטווח המודולים התרמואלקטריים, זרם ומתח לא מספקים למודולים, או פיזור חום לא יעיל.

מגבלות:
מגבלה עיקרית של עיצוב תא זה היא הצורך לשלוף את כל ארבע הסוללות כדי לטפל באחת מהן. זה גורם לכך שכל ארבע הסוללות נחשפות לסביבות אחרות כאשר יש צורך להוציא אותן. בעיה זו קשה להתמודד עם העיצוב הנוכחי. מגבלה נוספת היא שאם אובדת אנרגיה למודולים התרמואלקטריים, הטמפרטורה בתא עולה במהירות. לכן, הבטחת הכוח שלא יאבד למודולים היא קריטית. שימוש בספק כוח רציף ו/או גנרטור גיבוי למניעת שינויים לא רצויים בטמפרטורה יכול להיות מועיל אם הפסקות חשמל מהוות דאגה.

חשיבות:
סוללות ממשיכות לסבול מביצועים מופחדים משמעותית בטמפרטורות נמוכות, מה שהופך אותן לחשובות יותר ויותר במאמצי מחקר חדשים בבעיה זו. עיצוב תא הטמפרטורה הזה נוצר במיוחד כדי למחזר סוללות 2032 של תאי מטבע בטמפרטורה נמוכה תוך הגבלת עיבוי וקורוזיה. מטרה מרכזית נוספת הייתה ליצור עיצוב חסכוני וקל להרכבה. חלופות מסחריות מיוחדות לעיצוב זה בדרך כלל יקרות, ואפשרויות זולות אחרות, למשל שימוש במקרר סטנדרטי, אינן מונעות לחלוטין עיבוי ועלולות לגרום לשינויים מוגברים בטמפרטורה ^2,3,14. לכן, עיצוב זה יכול להיות אפשרות זולה ומהירה ליישום עבור חוקרים המעוניינים לבצע מחקרי מחזור סוללות בטמפרטורות נמוכות מבלי להעמיס על תקציבי המחקר שלהם.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

למחברים אין ניגודי עניינים לחשוף.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחברים מבקשים להודות לג'יי. ג'ונסון, מהמחלקה להנדסה בקולג' סווארת'מור, על עזרתו בעיבוד הראשוני של התא. עבודה זו נתמכה על ידי מענק מספר 2430817 של הקרן הלאומית למדע.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
ברגי קבל בגודל 1/4"-20 X 1"	גריינג'ר	4XE35	צריך 9; 8 לגופי קירור, 1 למכסה
מאווררי 12 V	דיגיקי	2223-CFM-9225C-130-356-ND	צריך 2; משמש לסירקול אוויר לגופי קירור
AC למחבר 12V 10 A	דיגיקי	AD-EL-1201200-Z	ממיר את כוח הקיר
שרף אצטל	מקמאסטר	8575K148	1.5" x 6" x 6"
מחזיקי סוללות	דיגיקי	36-1086-ND	צריך 4; 2 נוספים
סליידר חיווט סוללה	לא זמין	לא זמין	מודפס בתלת-ממד מצבא שחרור העם
תרמוקופל לרישום נתונים	אקס-טק	872501-S	ניתן להחליף קפל תרמוקופל מועדף
מועצת הפיתוח האלקטרוני	אדפרוט	3000	ראו קובץ משלים 2
מערכת רישום טמפרטורה אלקטרונית	ארדואינו	A000066	ראו קובץ משלים 2
מקרר	שף קסום	MCR170BE	ניתן להחליף מקרר סטנדרטי
ג'יג אטם	לא זמין	לא זמין	מודפס בתלת-ממד מצבא שחרור העם
חומר אטם	מקמאסטר-קאר		5542N125
גוף חום	דיגיקי	345-127709-ND	צריך 1; נחתך לשני גופי קירור
מהדק גוף חום	לא זמין	לא זמין	מודפס בתלת-ממד מצבא שחרור העם
דבק מיידי	לוקטיט	234790	ידוע גם בשם סופר גלו
מחזיק מכסה	לא זמין	לא זמין	מודפס בתלת-ממד מצבא שחרור העם
אזיקון ארוך	דיגיקי	2162-AL-14-50-0-C-ND	חבילה של 100, צריך 4 או פחות
סט קרימפ זכר/נקבה	מאוזר	474-PRT-10501	צריך 8, אמור לקבל גם 4 רזרביים
בקר הפעלה/כיבוי	אמזון	7.38587E+11	חבילה של 2
ספק כוח למחבר דו-חוטי	דיגיקי	CP-024A-ND	צריך 1
פרוטובורד	אדפרוט	1609	צריך 1
הר פרוטובורד	לא זמין	לא זמין	מודפס בתלת-ממד מצבא שחרור העם
רצועת זיפ קצרה	סאות'ווייר	BL4M2-C	חבילת 100
סיליקה ג'ל	מקמאסטר	2189K14	משמש לספיגת לחות נוספת
סיליקון	לוקטיט	908570	צריך מעט מאוד
מחברי ספייד	מקמאסטר	7060K79	צריך 8, אמור לקבל חילופים
חוטי 22 AWG תקועים	אדפרוט	3175	ניתן להחליף חיווט מועדף
מתקן מתג	לא זמין	לא זמין	מודפס בתלת-ממד מצבא שחרור העם
מכסה זמני	לא זמין	לא זמין	מודפס בתלת-ממד מצבא שחרור העם
גריז תרמי	ווייקפילד	120-5	צריך מעט מאוד
מודולים תרמו-אלקטריים	DigiKey	102-1682-ND	צריך 2; מוצר יצרן #: CP85438
מדחום	אקס-טק	EA15	ניתן להחליף מדחום מועדף
גריז ואקום	דופונט	2708493	צריך מעט מאוד
ממיר חוט לאליגטור	לא זמין	לא זמין	מודפס בתלת-ממד מצבא שחרור העם
תחתית תחנת החיווט	לא זמין	לא זמין	מודפס בתלת-ממד מצבא שחרור העם
חלק העליון של תחנת החיווט	לא זמין	לא זמין	מודפס בתלת-ממד מצבא שחרור העם

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Rodrigues, M. -T. F., et al. A materials perspective on Li-ion batteries at extreme temperatures. Nat Energy. 2 (8), 17108(2017).
Chen, Q., Yang, Z., Zhai, P., Luo, W., Gong, Y. Lithium batteries operating at wide temperatures: opportunities and challenges. Adv Funct Mater. 35 (13), 2417923(2025).
Zhang, N., et al. Critical review on low-temperature Li-ion/metal batteries. Adv Mater. 34 (15), 2107899(2022).
Gupta, A., Manthiram, A. Designing advanced lithium-based batteries for low-temperature conditions. Adv Energy Mater. 10 (38), 2001972(2020).
Hou, J., Yang, M., Wang, D., Zhang, J. Fundamentals and challenges of lithium ion batteries at temperatures between -40 and 60°C. Adv Energy Mater. 10 (18), 1904152(2020).
Adams, R. A., Varma, A., Pol, V. G. Temperature dependent electrochemical performance of graphite anodes for K-ion and Li-ion batteries. J Power Sources. 410 - 411 (1), 124-131 (2019).
Yaqub, A., et al. Low temperature performance of graphite and LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 electrodes in Li-ion batteries. J Mater Sci. 49 (22), 7707-7714 (2014).
Luo, H., et al. Lithium-ion batteries under low-temperature environment: challenges and prospects. Materials. 15 (22), 8166(2022).
Senyshyn, A., Mühlbauer, M. J., Dolotko, O., Ehrenberg, H. Low-temperature performance of Li-ion batteries: the behavior of lithiated graphite. J Power Sources. 282 (1), 235-240 (2015).
Liao, L., et al. Effects of temperature on charge/discharge behaviors of LiFePO4 cathode for Li-ion batteries. Electrochim Acta. 60 (1), 269-273 (2012).
Jaguemont, J., Boulon, L., Dubé, Y. A comprehensive review of lithium-ion batteries used in hybrid and electric vehicles at cold temperatures. Appl Energy. 164 (1), 99-114 (2016).
Senol, M., Bayram, I. S., Naderi, Y., Galloway, S. Electric vehicles under low temperatures: a review on battery performance, charging needs, and power grid impacts. IEEE Access. 11 (1), 39879-39912 (2023).
Xu, J., et al. Extending the low temperature operational limit of Li-ion battery to -80°C. Energy Storage Mater. 23 (1), 383-389 (2019).
Kim, W. -K., et al. Water condensation in traction battery systems. Energies. 12 (6), 1171(2019).

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

עיצוב תא סוללה של תא מטבע לניסויי אופראנדו בטמפרטורות נמוכות

במאמר זה

סיכום

תקציר

מבוא

פרוטוקול

תוצאות

דיון

גילויים

תודות

חומרים

מקורות

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

מאמרים קשורים