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

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 energetico per fonti di energia rinnovabile a livello di rete, sta diventando sempre più importante sviluppare batterie che dimostrino alte prestazioni in una vasta gamma di climi. Le prestazioni delle batterie sono spesso ridotte in ambienti freddi, il che richiede ulteriori ricerche focalizzate su indagini sulle batterie a bassa temperatura.

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 non si concentrano su esperimenti non ambientali. Qui riportiamo un progetto semplice e conveniente per una camera a temperatura, facile da assemblare e veloce da implementare, permettendo di condurre ulteriori ricerche sulle batterie a bassa temperatura. Questo design consente una temperatura affidabile a quattro celle monete 2032 in ambienti a bassa umidità, riducendo così corrosione e condensa.

In questo protocollo, seguiremo i passaggi principali della fabbricazione della camera prima di dimostrare come utilizzarla. Istruzioni aggiuntive sono fornite nel testo completo. Innanzitutto, stampare in 3D tutti i file STL supplementari tranne quelli della camera e dei file del coperchio della camera usando PLA.

In secondo luogo, fresa il blocco di resina di acetolo alle dimensioni fornite. Usiamo una fresatrice CNC o manuale per creare la camera principale e il coperchio, mostrando i file supplementari della camera e del coperchio della camera. Taglia anche i dissipatori di calore alla misura e pratica i fori attraverso secondo il file di disposizione dei fori.

Ora dovresti avere tutte le parti che richiedono un'officina meccanica. Fai scorrere i quattro portabatterie attraverso il cursore del cablaggio della batteria e poi attraverso il coperchio. Assicurati che ogni linguetta del portabatteria sia in posizione on".

Collega tutti i cavi in figura 2 tranne i moduli termoelettrici e le ventole da 12 volt. Questi saranno collegati più avanti. Salda le linee da 12 volt e terra all'alimentatore con un connettore a 2 fili.

Crea le guarnizioni tagliando prima il materiale della guarnizione usando uno strumento da taglio e la sabbia per la guarnizione per realizzare due guarnizioni. Applica una leggera pressione per evitare di tirare la guarnizione da sotto la gabaretta e tagliare troppo. Posiziona la guarnizione in una delle tasche laterali della camera principale in modo che resti piatta.

Inserisci i fili del modulo termoelettrico attraverso i fori laterali della camera principale, con il lato freddo numerato dei moduli termoelettrici rivolto verso la camera. Applica uno strato sottile ma completo di grasso termico sul lato termoelettrico non numerato caldo. Applica un sottile anello di silicone alla camera esterna al modulo termoelettrico.

Posiziona con cura un dissipatore di calore sopra la camera principale. Avvita i dissipatori di calore nella camera principale per comprimere il silicone. Questo formerà una tenuta ermetica.

Rimuovi qualsiasi eccesso di silicone. Ripeti da entrambe le parti. Dopo aver fatto scivolare il coperchio e le termocoppie nella camera, posizionare le due ventole da 12 volt ai lati dei dissipatori.

Orientalo per farlo entrare nei dissipatori. Usa tre fascette lunghe per stringere le ventole. Attacca il supporto dell'interruttore e il protoboard alle stampe del morsetto del dissipatore con colla istantanea.

Fai scorrere i supporti sulla fila superiore dei dissipatori. Posizionare la protoboard, l'interruttore on-off, il controller e il materiale isolante nelle rispettive posizioni sui supporti. Dopo aver organizzato i fili, salda le connessioni per i moduli termoelettrici e le ventole da 12 volt.

La camera è ora completamente assemblata. Per raffreddare la camera alla temperatura appropriata, disattivare i moduli termoelettrici con l'interruttore manuale on-off. Imposta il controller in modalità raffreddamento.

Imposta la temperatura desiderata a 0 gradi Celsius e la differenziale di spegnimento a 0,1 gradi Celsius. Imposta l'intervallo di temperatura a -55-24 gradi Celsius per evitare un surriscaldamento o un raffreddamento estremo in circostanze eccezionali. Dopo aver collegato la termocoppia di registrazione dati al termometro e aver messo la camera nel frigorifero, riaccendi l'interruttore on-off.

La camera è ora pronta per l'uso. 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 con la mano e posalo su una superficie piana o nel portacoperchio stampato in 3D fornito e sostituiscilo con un coperchio temporaneo. Apri i portabatterie che desideri sostituire e inserisci la cella moneta all'interno del portabatterie. 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. Sostituisci il coperchio principale. Potrebbero volerci fino a due ore perché la temperatura si riequilibri all'interno della camera.

Per valutare l'affidabilità della camera nel mantenere una temperatura costante di 0 gradi Celsius, le sue prestazioni sono state testate in tre modi. Per prima cosa, abbiamo utilizzato un data logger automatico per misurare i gradienti di temperatura attraverso la camera. La variazione di temperatura in tutta la camera era costante e variava solo di 4 gradi Celsius.

In secondo luogo, la stabilità della temperatura della camera appena assemblata veniva monitorata per un solo giorno, mantenendo una variazione di temperatura di 13 gradi Celsius. Per testare le prestazioni a lungo termine, dopo sette mesi di utilizzo del dispositivo, è stata effettuata una misurazione di una settimana, che ha mostrato una variazione di temperatura leggermente ridotta di 75 gradi Celsius. Infine, quattro celle moneta agli ioni di litio 2032 sono state ciclate 100 volte per tre mesi.

I dati del ciclo mostrano prestazioni costanti e basso rumore durante l'esperimento. Questi risultati dimostrano che la camera può mantenere una temperatura costante e consente di eseguire in modo affidabile gli esperimenti di ciclazione elettrochimica a bassa temperatura. Abbiamo presentato qui un design semplice per consentire un ciclo di batteria a bassa temperatura conveniente per celle a gettone 2032 in un ambiente a bassa umidità.

Il test di prestazioni dimostra che questo dispositivo mostra prestazioni affidabili a lungo termine con variazioni di temperatura inferiori a un singolo grado Celsius.