Progettazione della camera della batteria a celle a catena per esperimenti operando a bassa temperatura

Sommario

Viene presentato un progetto per consentire un ciclo di batteria a bassa temperatura economico per celle monete 2032 in un ambiente a bassa umidità. Le celle vengono ciclate a 0 °C all'interno di una camera raffreddata da moduli termoelettrici. Questo design semplice può essere adattato per esperimenti che richiedono ambienti termici e a controllo dell'umidità simili o diverse geometrie delle batterie.

Abstract

Man mano che diventiamo sempre più dipendenti dalle batterie ricaricabili che alimentano i nostri dispositivi, è sempre più importante comprendere le riduzioni di capacità e prestazioni che si verificano in ambienti freddi. La ricerca focalizzata sulle prestazioni di ciclo delle batterie a basse temperature è essenziale per guidare la progettazione e l'ottimizzazione di batterie avanzate. Tuttavia, le apparecchiature commerciali per il ciclo delle batterie a bassa temperatura tendono a essere costose, impedendo che in molte strutture vengano condotte ricerche sul ciclo a bassa temperatura. Di seguito è un progetto semplice e conveniente per la camera di temperatura, facile da assemblare e implementare rapidamente. Questo design consente un controllo affidabile della temperatura per quattro celle monete 2032 in ambienti a bassa umidità, riducendo così problemi di corrosione e condensa. I dati di cicli elettrochimici dimostrano l'evoluzione della capacità cellulare a T = 0 ± 1 °C per 100 cicli a una velocità C di C/7. La temperatura può essere abbassata a -5 °C nel progetto attuale, e piccole modifiche permetterebbero temperature ancora più basse. Inoltre, questo design può essere facilmente adattato per accogliere altri tipi di batterie o per aumentare il numero di campioni misurati.

Introduzione

Man mano che il mondo si elettrifica sempre di più, le batterie svolgono un ruolo chiave nell'energizzare i nostri dispositivi. Dall'alimentare i nostri veicoli elettrici alla fornitura di accumulo di energia per fonti di energia rinnovabile a livello di rete, sta diventando sempre più importante sviluppare batterie che dimostrino alte prestazioni in un'ampia gamma di^{climi 1,2}. Le prestazioni delle batterie sono spesso ridotte in ambienti freddi, il che richiede ulteriori ricerche focalizzate sulle indagini sulle batterie a bassa^{temperatura 3,4}. Tuttavia, le apparecchiature commerciali per il ciclo delle batterie a bassa temperatura tendono a essere costose, impedendo che questi studi vengano condotti in strutture di ricerca che normalmente non si concentrano su esperimenti non ambientali.

Molte applicazioni di batterie devono solo comprendere il comportamento a basse temperature a temperature modeste che si avvicinano a 0 °C o leggermente meno^{di 5} °C. Nonostante anche questa limitata gamma di temperature, le batterie continuano a mostrare riduzioni significative nella capacità complessiva, nelle prestazioni e nelle caratteristiche di ricarica a basse^{temperature 6,7}. Ad esempio, le batterie commerciali agli ioni di litio mantengono solo il 10% delle loro capacità a temperatura ambiente a −40 °^{C 8,9}. Tutti i componenti della cella, inclusi catodo, anodo ed elettrolita, hanno effetti documentati a temperature non^{ambientali 6,7,10}. Questa questione sta diventando sempre più importante a causa della recente emergere dei veicoli elettrici e ostacola l'uso delle batterie ricaricabili nei paesi con climi invernali^{gelidi 11,12}. Le prestazioni delle batterie in ambienti freddi possono essere ottimizzate solo se aumentiamo la comprensione dei complessi processi sottostanti che avvengono a basse temperature.

Le batterie a cella a moneta sono comunemente utilizzate per alimentare piccoli dispositivi elettronici portatili grazie al loro design compatto. Sono spesso utilizzati anche nei laboratori di ricerca per testare nuove chimiche delle batterie e le prestazioni complessive del dispositivo. Le celle a valuta sono facili da assemblare e a basso costo, il che permette ai ricercatori di testare rapidamente nuovi prototipi prima di scalare in pacchi batterie più grandi, complessi e costosi. Le loro dimensioni ridotte permettono inoltre di entrare facilmente all'interno di apparecchiature a bassa temperatura, permettendo indagini veramente in operando e in situ . Pertanto, le celle a catena sono ottime scelte per studi sulle batterie dipendenti dalla temperatura, e vi è una chiara necessità di una camera a bassa temperatura (≈ 0 °C) a bassa temperatura accessibile, progettata specificamente per il test delle batterie a celle a moneta^{non ambienti 13}. I frigoriferi residenziali commerciali possono fornire facilmente le basse temperature necessarie per questi esperimenti, ma la mancanza di regolazione dell'umidità causa problemi di corrosione e ostacola la precisione delle misurazioni. Le attrezzature commerciali specializzate tendono a essere progettate per laboratori di ricerca su batterie su larga scala, spesso misurando decine o centinaia di batterie contemporaneamente. Queste attrezzature sono costose e possono risultare proibitive per laboratori di ricerca con budget ridotti.

Qui riportiamo un progetto di camera semplice, economico e a bassa temperatura, facile da assemblare e veloce da implementare, permettendo di condurre ulteriori ricerche sulle batterie a bassa temperatura. Questo design consente un controllo affidabile della temperatura per quattro celle a moneta 2032 in un ambiente a bassa umidità, riducendo così corrosione e condensa. Fornisce un'alternativa economica alle apparecchiature commerciali di controllo della temperatura che possono essere implementate in piccoli laboratori di ricerca. Il design semplice può essere facilmente assemblato in meno di una settimana utilizzando una lavorazione lavorativa minima, parti pronte a trovare pronte all'uso, oltre ad alcune parti personalizzate che possono essere realizzate con una stampante 3D utilizzando i file forniti. Il costo complessivo è intorno agli 870 USD, ma considerando che molti di questi materiali sono comunemente disponibili e potrebbero già essere presenti nei laboratori di ricerca, il costo complessivo di questo dispositivo può essere notevolmente inferiore da produrre. Viene fornita una guida passo dopo passo su come assemblare il sistema.

L'efficacia del progetto è dimostrata tramite il ciclo galvanostatico operando in condizioni di temperatura non ambiente (0 °C) ed è dimostrata adatta a cicli a lungo termine per diversi mesi. Sono inoltre mostrate le prestazioni di controllo della temperatura e una rappresentazione 3D della distribuzione della temperatura all'interno della camera. Sebbene i risultati non siano presentati qui, la camera può essere utilizzata anche per ulteriori esperimenti elettrochimici operandi, inclusi la voltametria ciclica e la spettroscopia di impedenza elettrica. Si discutono modifiche a questo progetto per consentire una gamma più ampia di misurazioni operando, così come il potenziale di estendere l'intervallo di temperatura della camera.

Gli obiettivi principali di questa camera di temperatura sono un controllo affidabile della temperatura limitando la condensazione, permettendo di far girare quattro celle monete 2032 in queste condizioni. Il raffreddamento primario si ottiene utilizzando un mini-frigorifero commerciale, ma le variazioni di temperatura possono essere inaffidabili per scopi sperimentali. Pertanto, questo progetto utilizza un controller on-off che controlla due moduli termoelettrici per regolare ulteriormente una piccola camera ermetica lavorata in resina acetalica. I dissipatori di calore e le ventole dissipano calore, permettendo ai moduli termoelettrici di mantenere una piccola differenza di temperatura. I passaggi posizionati sul coperchio permettono il passaggio di otto fili per permettere il ciclo della batteria. Una rappresentazione schematica di una sezione trasversale del progetto è rappresentata nella Figura 1A.

Figura 1: Camera a temperatura. (A) Illustrazione della camera a bassa temperatura con componenti etichettati. (B) La camera di temperatura così assemblata. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Protocollo

1. Fabbricazione della camera

1. Componenti per la stampa 3D
   1. Stampare in 3D tutti i file STL nel File Supplementare 1 (Gasket Jig.stl, Heat Sink Clamp.stl, On-Off Mount.stl, Protoboard Mount.stl, Wire to Alligator Converter.stl, Wirring Station Bottom.stl e Wiring Station Top.stl), eccetto i file Chamber.stl e Chamber Lid.stl, utilizzando acido polilattico (PLA).
      NOTA: Le istruzioni di stampa fanno parte del Supplemental File 2. Per la prima parte di questo protocollo, le parti della Tabella dei Materiali saranno in corsivo e le parti stampate in 3D avranno la loro estensione (.stl).
2. Frenatura della camera principale, del coperchio e dei dissipatori di calore
   1. Fresa il blocco di resina acetale su blocchi di serie da 4" × 3,5" × 1,5" e 1,45" × 1,45" × 1,125".
      ATTENZIONE: La lavorazione può essere pericolosa e causare lesioni personali. I passaggi che coinvolgono la lavorazione meccanica durante questo protocollo dovrebbero essere eseguiti solo da professionisti qualificati.
   2. Utilizzare una macchina a controllo numerico computerizzato (CNC) o una fresatrice manuale per creare la camera principale e il coperchio come mostrato nei file Chamber.stl e Chamber Lid.stl nel File Supplementare 1.
      NOTA: Il coperchio dovrebbe essere lavorato per garantire una calzata ermetica. Si può aggiungere un o-ring per ottenere una tenuta migliore.
   3. Taglia il dissipatore in due profili da 4" per 3,5".
   4. Forare i fori attraverso secondo il file Hole Layout.pdf nel File Supplementare 1.
   5. Forare le alette del dissipatore per lasciare spazio alle teste dei tappi delle viti.
   6. Avvita un bullone da 1/4"-20 x 1" nella parte superiore del coperchio. Questo otturatore permette una rimozione più semplice del coperchio dalla camera.
   7. Fai sfilare i quattro portabatterie attraverso il cursore del cablaggio della batteria e poi attraverso il coperchio. Assicurati che ciascuna delle linguette del portabatteria sia in posizione ON.
   8. Aggiungi silicone a tutti i fori del filo che entrano nel coperchio e lascia fissare.
      NOTA: Qualsiasi rifiuto chimico prodotto durante questa procedura deve essere smaltito secondo le linee guida del produttore e le schede tecniche di sicurezza dei materiali.
3. Assemblaggio dell'elettronica
   ATTENZIONE: Pericoli elettrici. Tutti i lavori elettrici dovrebbero essere eseguiti da un professionista qualificato.
   1. Collega tutti i cablaggi nella Figura 2 tranne i moduli termoelettrici e le ventole a 12 V. Questi saranno collegati più avanti.
   2. Salda i cavi a 12 V e a terra all'alimentatore al connettore a due fili.
      ATTENZIONE: I rischi di saldatura includono lesioni termiche e rischi di inalazione. Il lavoro dovrebbe essere svolto solo da un professionista qualificato in un'area ben ventilata.
4. Assemblaggio della camera
   1. Crea le guarnizioni tagliando prima il materiale della guarnizione usando uno strumento da taglio e il Gasket Jig.stl (File Supplementare 1) per realizzare due guarnizioni. Applica una leggera pressione per evitare di tirare la guarnizione da sotto la gabaretta e tagliare troppo.
   2. Metti una guarnizione in una delle tasche laterali della camera principale in modo che sia piatta.
   3. Fai passare i fili del modulo termoelettrico attraverso i fori laterali nella camera principale, con il lato numerato (freddo) dei moduli termoelettrici rivolto verso la camera.
   4. Applica uno strato sottile ma completo di Grasso Termico sul lato termoelettrico non numerato (caldo).
   5. Applica un sottile anello di silicone sulla camera esterna al Modulo Termoelettrico.
   6. Posiziona con cura un dissipatore sopra la camera principale. Avvita un tappo da 1/4"-20 x 1" Avvita i dissipatori di calore nella camera principale per stringere il silicone. Questo formerà una tenuta ermetica. Rimuovi qualsiasi eccesso di silicone.
   7. Ripeti da entrambe le parti. Aspetta che il silicone si solidifichi.
   8. Spalma la parte inferiore dei lati del coperchio della camera con uno strato sottile di grasso sottovuoto e infilalo nella camera.
   9. Fai scorrere la termocoppia Datalogging e la termocoppia del controller ON/OFF nei rispettivi fori sul lato della camera.
   10. Aggiungi silicone a tutti i fori dei fili che entrano nella camera e lascia fissare.
   11. Posiziona le due ventole da 12 V ai lati dei dissipatori, orientate per soffiare nei dissipatori. Usa tre fascette a zip tipe lunghe per fissare le ventole come mostrato nella Figura 1B.
5. Montaggio dei supporti e dei cablaggi
   1. Attacca il Switch Mount.stl e il Protoboard Mount.stl nel file supplementare 1 alle stampe del morsetto del dissipatore con colla istantanea.
      ATTENZIONE: Rischio chimico. Usa tutte le sostanze chimiche come indicato dal produttore.
   2. Fai scorrere i supporti sulla fila superiore dei dissipatori. Posiziona la scheda Protoboard, l'interruttore ON/OFF, il controller e il materiale isolante nelle rispettive posizioni sui supporti. Assicurati che l'interruttore ON/OFF sia tenuto in posizione di montaggio con un pezzo di nastro a doppia faccia. Usa un pezzo di plexiglass o qualsiasi altro materiale isolante e infilalo nel Protoboard Mount.stl sopra il protoboard per aiutare a prevenire cortocircuiti accidentali.
   3. Usando il set di crimpatura maschio/femmina, crimpa i connettori maschio sui fili di ogni portabatterie. Usa fili e connettori di filo da 22 AWG per collegare i fili dove servono. Si consiglia di utilizzare pinze a becco sottile per fissare il lato maschio durante la separazione di questi connettori, per evitare stress eccessivo sui fili stessi.
   4. Usa le stampe 3D Bottom e Top.stl della stazione cablaggiatrice (File Supplementare 1) per organizzare i fili.
   5. Usa connettori a pala e la stampa 3D Wire-to Alligator Converter.stl (Supplemental File 1) per consentire una connessione tipo alligatore alle celle.
6. Montaggio finale
   1. Dopo aver organizzato i fili, salda i collegamenti per i moduli termoelettrici e le ventole da 12 V. La camera è ora completamente assemblata.

Figura 2: Schema del circuito elettrico per il circuito che controlla il sistema di raffreddamento della camera. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

2. Utilizzo della camera

1. Controllo della camera
   1. Per raffreddare la camera alla temperatura appropriata, spegni i moduli termoelettrici con l'interruttore manuale ON/OFF. Collegati all'alimentatore.
   2. Imposta il controller in modalità raffreddamento. Imposta la temperatura desiderata a 0 °C e la differenza di accensione a 0,1 °C. Imposta l'intervallo di temperatura da -55 °C a 24°C per evitare un surriscaldamento estremo o un raffreddamento eccessivo in circostanze eccezionali.
      NOTA: Regola la temperatura nel frigorifero per renderla leggermente più calda (~2 °C) rispetto alla temperatura desiderata. La temperatura del frigorifero dovrebbe essere più calda di quella desiderata per il controller ON/OFF per mantenere la temperatura desiderata, ma la temperatura non può essere troppo alta, altrimenti i moduli termoelettrici non riusciranno a raggiungere la temperatura desiderata.
2. Temperatura di logging
   1. Collega la termocoppia datalog al termometro e metti la camera nel frigorifero.
   2. Imposta il termometro per rimanere acceso indefinitamente e registra la temperatura ogni pochi secondi per 24 ore.
      NOTA: Se funziona correttamente, la temperatura nella camera non dovrebbe variare oltre ± 1 °C.
   3. Quando sei pronto per iniziare il raffreddamento, attiva l'interruttore manuale ON/OFF. La camera è ora pronta per l'uso.
3. Aprire la camera e aggiungere una batteria
   NOTA: Se le batterie vengono misurate attivamente, i cambi di campione devono essere effettuati rapidamente per evitare grandi variazioni di temperatura e ridurre la condensa sulle batterie. Durante il lavoro sul coperchio principale, un coperchio temporaneo può essere stampato in 3D per sostituirlo durante i cambi di campione utilizzando Temp Lid.stl contenuto nel Supplemental File 3.
   1. Per aprire la camera per aggiungere o rimuovere batterie, posiziona un cacciavite sotto il bullone del coperchio. Usando il bordo esterno come fulcro, premi verso il basso sul manico del cacciavite. Una volta che il coperchio è allentato, estralo a mano e posalo su una superficie piana oppure usa il supporto per coperchio contenuto nel Supplemental File 3 per stampare in 3D un portacoperchio. Sostituisci il coperchio della camera con il coperchio temporaneo.
   2. Apri i portabatterie da sostituire e posiziona la cella moneta all'interno del portabatterie.
   3. Rimuovi il coperchio temporaneo e poi la bustina di gel di silice all'interno della camera. Pulisci via qualsiasi umidità con un panno e rimetti la bustina di gel di silice nella camera per aiutare ad assorbire eventuali residui di umidità.
   4. Rimetti il coperchio principale e rimetti la camera nel frigorifero.
      NOTA: Può volerci fino a 2 ore perché la temperatura si riequilibri all'interno della camera.
4. Ciclismo operando a bassa temperatura
   1. Esegui gli esperimenti di ciclo una volta raggiunta la temperatura desiderata.
   2. Continua a registrare la temperatura per assicurarti che la camera rimanga alla temperatura desiderata.

Risultati

Le prestazioni della camera sono state testate in tre modi: (1) misurazione dei gradienti di temperatura attraverso la camera, (2) monitoraggio della temperatura in un periodo di 24 ore dopo la costruzione iniziale e un periodo di 168 ore dopo 7 mesi di utilizzo, e (3) raccolta di dati di cicli per celle moneta di batterie al litio su 100 cicli o ~3 mesi. Questi risultati, discussi di seguito, dimostrano che la camera è in grado di mantenere una temperatura costante per diversi mesi con una variazione media di temperatura inferiore a 0,75 °C, ottenendo dati di ciclo elettrochimico coerenti.

Figura 3: Dipendenza tridimensionale della temperatura della camera fredda. Il piano YZ è il piano raffigurato nella Figura 1. Fu costruito un data logger personalizzato a 2 assi che poteva essere utilizzato all'interno del mini-frigorifero. Ogni punto dati rappresenta una misurazione unica della temperatura, con conseguente variazione complessiva della temperatura in tutta la camera di ± 0,4 °C. Ulteriori descrizioni della raccolta e analisi dei dati sono fornite nel Supplemental File 2. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Gradiente di temperatura:
La variazione di temperatura in tutta la camera era relativamente costante e variava solo ± 0,4 °C, come si vede nella Figura 3. La variazione mostrava un volume leggermente più caldo vicino al modulo termoelettrico destro, il che poteva essere dovuto alla variazione dei moduli stessi o alla quantità di potenza fornita a ciascuno.

La superficie dei moduli termoelettrici era costantemente qualche grado più fredda rispetto all'aria vicina, quindi garantire che i portabatterie non fossero a contatto con i moduli era importante per una gestione accurata della temperatura. L'uso della guida per l'allineamento dei portabatteria riduceva la probabilità di contatto tra i supporti e i moduli.

Figura 4: Variazione della temperatura nel tempo. (A) La distribuzione iniziale della temperatura subito dopo la costruzione mostra una variazione di ± 0,13 °C standard se misurata ogni 10 secondi in un periodo di 24 ore. (B) Dopo 7 mesi di utilizzo, la distribuzione della temperatura veniva misurata ogni 10 secondi per un periodo di 1 settimana, risultando in una variazione di ± 0,75 °C std. Ulteriori informazioni su questa acquisizione dati e sul smoothing gaussiano sono fornite nel File Supplementare 2. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Monitoraggio della temperatura:
La variazione media della temperatura è stata misurata ogni 10 secondi per 168 ore dopo 7 mesi di utilizzo e può essere vista stabile in quel periodo nella Figura 4. La natura a blocchi dei dati nella Figura 4B è probabilmente dovuta alle rapide oscillazioni di temperatura. Un metodo di controllo più sofisticato potrebbe essere utilizzato per ridurre queste oscillazioni, se necessario. La temperatura media inizialmente variava di ± 0,13 °C, come mostrato nella Figura 4A, ma è aumentata in un periodo di 7 mesi fino a ± 0,75 °C come mostrato nella Figura 4B. Questo potrebbe essere un segno che la camera diventa sempre più instabile col passare del tempo, ma potrebbe anche essere dovuto ad altri fattori, come l'aumento della temperatura ambiente del laboratorio. Tuttavia, la stabilità della temperatura nel tempo è significativa, e questo livello di controllo della temperatura è generalmente adeguato per la maggior parte delle indagini sulle batterie a bassa temperatura. Ulteriori dettagli sulla caratterizzazione della temperatura all'interno della camera sono forniti nel Supplemental File 2.

Figura 5: Evoluzione della capacità della batteria su 100 cicli. (A) Dati di ciclaggio utilizzando un sistema a bagno di circolazione per il controllo della temperatura. Sono state osservate grandi variazioni nella capacità dovute a fluttuazioni di temperatura e problemi di corrosione causati dalla condensa sulle batterie. (B) Dati di ciclaggio utilizzando la camera a bassa temperatura personalizzata presentata in questo articolo, mostrando un rumore significativamente inferiore. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Dati sul ciclo elettrochimico:
Per testare le prestazioni della camera nel mantenere la temperatura durante i test della batteria, sono stati eseguiti test di ciclo galvanostatico su quattro batterie a coniglione a ioni di litio 2032 disponibili in commercio. Queste celle monete venivano ciclate a 0 ± 1 °C a una velocità C di C/7 per 100 cicli, che richiedevano ~3 mesi. I risultati sono mostrati nella Figura 5B. Questi dati vengono confrontati con una precedente generazione di camere termiche, che utilizzava una camera in alluminio isolato con polistirolo e un bagno di circolazione contenente una soluzione antigelo. Il metodo del bagno di circolazione ha causato grandi deviazioni nelle capacità delle celle misurate, come osservato nella Figura 5A, e ha causato corrosione delle celle della batteria durante cicli ripetuti. Il nuovo design della camera qui riportato mostra un miglioramento significativo nelle capacità delle celle misurate, evidenziato da una maggiore stabilità termica, assenza di corrosione delle celle e una significativa riduzione del rumore nei dati.

Il corretto funzionamento della camera sarà indicato da una temperatura costante mantenuta con solo lievi fluttuazioni, e da dati elettrochimici privi di cambiamenti inspiegabili o improvvisi come tensioni irregolari o aumenti e diminuzioni improvvise della capacità della cella. Dopo che la camera è stata assemblata e accesa inizialmente, è consigliabile registrare la temperatura nella camera per 24 ore fino a diversi giorni, per assicurarsi che non ci sia un aumento o una diminuzione graduale della temperatura che indichino la necessità di regolare le impostazioni del frigorifero per ottimizzare la dissipazione del calore.

File Supplementare 1: File STL per la stampa 3D. I file includono Gasket Jig.stl, Heat Sink Clamp.stl, On-Off Mount.stl, Protoboard Mount.stl, Wire to Alligator Converter.stl, Cablaggio Station Bottom.stl, Cablaggio Station Top.stl, Chamber.stl e file Chamber Lid.stl. Clicca qui per scaricare questo File.

Fascicolo Supplementare 2: Istruzioni di stampa e caratterizzazione della temperatura. Clicca qui per scaricare questo File.

File supplementare 3: File STL per stampare in 3D il coperchio principale e il portacoperchio. Clicca qui per scaricare questo File.

Discussione

Passaggi critici:
Ci sono diversi passaggi nel protocollo che sono fondamentali per garantire il corretto funzionamento della camera fredda. Bisogna prestare attenzione ai collegamenti dei fili, poiché sono necessari affinché il circuito funzioni correttamente e garantisca una raccolta dati accurata. Connessioni di cablaggio difettose possono causare letture di tensione irregolari e possono essere evitate usando un voltmetro per testare le connessioni prima di inserire le celle a prova nella camera.

Le perdite d'aria dovrebbero essere evitate poiché permetterebbero ulteriore umidità nella camera, che può condensarsi sulle celle e causare corrosione. La lavorazione precisa del coperchio e degli altri fori, così come una sigillatura accurata con il materiale della guarnizione e il grasso, aiuteranno a garantire l'affidabilità e le prestazioni a lungo termine della camera. Se la camera non è ermetica, la condensa sulle celle può causare corrosione solitamente indicata da prestazioni irregolari delle celle, come aumenti o diminuzioni improvvise della capacità della cella, e quando le celle vengono rimosse dai supporti, possono sembrare che perdano o si decolorino.

Infine, è importante assicurarsi che la termocoppia utilizzata per la registrazione dei dati sia calibrata accuratamente e posizionata correttamente prima di sigillarla nella camera per registrare in modo affidabile le prestazioni termiche della camera.

Modifiche:
Sebbene questa camera di temperatura sia specificamente progettata per 2032 esperimenti con celle a moneta a 0 °C, questo design generale può essere modificato e ottimizzato per una vasta gamma di esperimenti con requisiti ambientali simili. I porta-celle per 2032 celle potrebbero essere facilmente sostituiti con quelli per celle diverse. Geometrie diverse della batteria (ad esempio, cilindrica, tasca) potrebbero essere compensate cambiando i portabatterie, ma potrebbe essere necessario aumentare le dimensioni della camera. La camera poteva essere in grado di raggiungere temperature più basse aumentando la potenza dei moduli termoelettrici a più di 12 V. I moduli termoelettrici utilizzati in questo progetto sono classificati per fornire raffreddamento a -40 °C. Tuttavia, sarebbe necessaria una migliore dissipazione del calore, oltre a test per valutare i gradienti di temperatura all'interno della camera e garantire il corretto funzionamento di tutti i componenti a questa temperatura ridotta. Una scheda a circuito stampato poteva essere utilizzata sia per registrare i dati sia per controllare i moduli termoelettrici, eliminando così la necessità di due termocoppie. Infine, se la camera viene utilizzata principalmente per il controllo dell'umidità e il controllo preciso della temperatura non è un problema, il coperchio e il design della camera possono essere utilizzati senza i moduli termoelettrici, il sistema di controllo e le parti di dissipazione del calore.

Risoluzione dei problemi:
Grazie al design semplice, la maggior parte dei potenziali problemi riscontrati dovrebbe essere relativamente semplice da risolvere. La corrosione delle batterie probabilmente indica una perdita d'aria, e assicurarsi che tutti i fori siano sigillati dovrebbe essere la prima azione contro di essa. I dati rumorosi che fanno il ciclo della batteria probabilmente indicano un problema di cablaggio o un contatto fisico scadente con i portabatterie, che può essere risolto migliorando le connessioni. Può anche essere un segno che si sta formando condensa sulle celle, potenzialmente portando alla corrosione, quindi il sistema dovrebbe essere controllato per assicurarsi che sia ermetico. L'impossibilità di raggiungere la temperatura desiderata può essere dovuta a numerosi fattori, come l'applicazione impropria del grasso termico, il tentativo di raggiungere la temperatura desiderata al di fuori dell'intervallo dei moduli termoelettrici, la quantità di corrente e tensione inadeguate fornite ai moduli o la dissipazione inefficace del calore.

Limitazioni:
Una limitazione primaria di questo design di camera è la necessità di estrarre tutte e quattro le batterie per affrontarne una qualcuna. Questo fa sì che tutte e quattro le batterie vengano esposte ad altri ambienti quando una di esse deve essere rimossa. Questo problema è difficile da mitigare con il design attuale. Un'altra limitazione è che, se viene persa energia ai moduli termoelettrici, la temperatura nella camera aumenta rapidamente. Pertanto, garantire che l'alimentazione non venga persa per i moduli è fondamentale. Utilizzare un alimentatore ininterrotto e/o un generatore di riserva per prevenire variazioni di temperatura indesiderate potrebbe essere utile se le interruzioni di corrente sono una preoccupazione.

Importanza:
Le batterie continuano a soffrire di prestazioni significativamente ridotte a basse temperature, rendendole sempre più importanti per nuovi sforzi di ricerca su questo problema. Questo design a camera a temperatura è stato realizzato specificamente per ciclare batterie a cella a 2032 a bassa temperatura, limitando la condensa e la corrosione. Un altro obiettivo chiave era produrre un progetto economico e facile da assemblare. Le alternative commerciali appositamente realizzate a questo design sono tipicamente costose, mentre altre opzioni a basso costo, ad esempio l'uso di un frigorifero standard, non prevengono completamente la condensa e possono mostrare variazioni di temperatura^{aumentate 2,3,14}. Pertanto, questo design può essere un'opzione a basso costo e rapida da implementare per i ricercatori che vogliono condurre studi sul ciclo della batteria a bassa temperatura senza gravare i propri budget di ricerca.

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Viti per tappo da 1/4"-20 x 1"	Grainger	4XE35	bisogno di 9; 8 per i dissipatori di calore, 1 per il coperchio
Ventole 12 V	Digikey	2223-CFM-9225C-130-356-ND	bisogno di 2; Usata per far circolare l'aria verso dissipatori di calore
Connettore AC a 12 V 10 A	Digikey	AD-EL-1201200-Z	converte wall power
Resina Acetale	McMaster	8575K148	Calcio 1,5" x 6" x 6"
Portabatterie	Digikey	36-1086-ND	bisogno di 4; 2 extra
Scorrimento per il cablaggio della batteria	N/A	N/A	Stampato in 3D da PLA
Datalogging Termocoppia	ExTech	872501-S	Può essere sostituito da una termocoppia preferita
Consiglio di Sviluppo Elettronico	Adafruit	3000	vedi Fascicolo Supplementare 2
Sistema elettronico di registrazione delle temeprature	Arduino	A000066	vedi Fascicolo Supplementare 2
Frigorifero	Magic Chef	MCR170BE	Si può sostituire un frigorifero standard
Disegno della guarnizione	N/A	N/A	Stampato in 3D da PLA
Materiale della guarnizione	McMaster-Carr		5542N125
Dissipatore di calore	Digikey	345-127709-ND	bisogno 1; tagliato in 2 dissipatori di calore
Morsetto per dissipatore di calore	N/A	N/A	Stampato in 3D da PLA
Colla istantanea	Loctite	234790	Conosciuto anche come Super Glue
Portacoperchio	N/A	N/A	Stampato in 3D da PLA
Fascetta lunga	Digikey	2162-AL-14-50-0-C-ND	Pack da 100, ne servono 4 o meno
Set Crimp Maschio/Femmina	Mouser	474-PRT-10501	Ne servono 8, dovrei avere anche 4 pezzi di riserva
ON/OFF Controller	Amazon	7.38587E+11	Gruppo da 2
Alimentazione a connettore a 2 fili	Digikey	CP-024A-ND	bisogno 1
Protoboard	Adafruit	1609	bisogno 1
Montatura Protoboard	N/A	N/A	Stampato in 3D da PLA
Fascetta corta	Southwire	BL4M2-C	Gruppo di 100
Gel di silice	McMaster	2189K14	usata per assorbire qualsiasi umidità aggiuntiva
Silicone	Loctite	908570	Ne ho bisogno di pochissimo
Connettori a pala	McMaster	7060K79	Ne servono 8, dovrei prendere dei pezzi di ricambio
Fili intrecciati 22 AWG	Adafruit	3175	Può essere sostituito il cablaggio preferito
Supporto per interruttore	N/A	N/A	Stampato in 3D da PLA
Coperchio temporaneo	N/A	N/A	Stampato in 3D da PLA
Grasso termico	Wakefield	120-5	Ne ho bisogno di pochissimo
Moduli termoelettrici	DigiKey	102-1682-ND	bisogno di 2; Prodotto del produttore #: CP85438
Termometro	ExTech	EA15	Può essere sostituito da un termometro preferito
Grasso a vuoto	DuPont	2708493	Ne ho bisogno di pochissimo
Convertitore filo-alligatore	N/A	N/A	Stampato in 3D da PLA
Base della stazione cablatura	N/A	N/A	Stampato in 3D da PLA
Topo stazione elettrica	N/A	N/A	Stampato in 3D da PLA