2032コインセルの低湿度環境下でのコスト効率の良い低温バッテリーサイクルを可能にする設計が提示されています。セルは熱電モジュールで冷却されたチャンバー内で0°Cでサイクルされます。この単純な設計は、熱や湿度制御環境や異なるバッテリー形状を必要とする実験にも適応可能です。
方法論記事
2032コインセルの低湿度環境下でのコスト効率の良い低温バッテリーサイクルを可能にする設計が提示されています。セルは熱電モジュールで冷却されたチャンバー内で0°Cでサイクルされます。この単純な設計は、熱や湿度制御環境や異なるバッテリー形状を必要とする実験にも適応可能です。
私たちがデバイスに電力を供給する充電式バッテリーへの依存が高まる中で、寒冷地環境で発生する容量や性能の低下を理解することがますます重要になっています。低温下での電池のサイクル性能に焦点を当てた研究は、先進的なバッテリーの設計と最適化の指針となる上で不可欠です。しかし、市販の低温バッテリーサイクル機器は高価な傾向があり、多くの施設で低温サイクル研究が行われにくいです。以下は、組み立てや実装が容易でコスト効率の良い温度チャンバー設計です。この設計により、4基の2032コインセルが低湿度環境で信頼性の高い温度制御が可能となり、腐食や結露の問題を軽減します。電気化学的サイクルデータは、T = 0 ± 1 °Cで100サイクル、CレートC/7で細胞容量が変化していることを示しています。現行設計では温度を-5°Cまで下げることができ、小さな修正でさらに低温化が可能です。さらに、この設計は他の種類のバッテリーに対応したり、測定サンプル数を増やしたりするために容易に適応可能です。
世界がますます電動化する中で、バッテリーは私たちのデバイスに電力を供給する重要な役割を果たしています。電気自動車の動力供給から、グリッドレベルの再生可能エネルギー源へのエネルギー貯蔵に至るまで、幅広い気候で高性能を示すバッテリーの開発がますます重要になっています 1,2。バッテリー性能は寒冷地環境で低下することが多いため、低温バッテリーの調査に焦点を当てたさらなる研究が必要です。しかし、市販の低温バッテリーサイクル機器は高価な傾向があり、通常は非環境実験に重点を置かない研究施設での研究は困難です。
多くのバッテリー用途は、0°Cに近づくかやや低い5°Cの控えめな温度での低温挙動を理解するだけで十分です。この限られた温度範囲にもかかわらず、バッテリーは低温6.7で全体の容量、性能、充電特性の大幅な低下を示し続けています。例えば、市販のリチウムイオン電池は−40°C8,9で室温容量の10%しか維持しません。陰極、アノード、電解質を含むセルのすべての構成要素は、非常温6,7,10で効果が記録されています。この問題は、近年の電気自動車の登場によりますます重要になっており、厳しい冬の気候の国々では充電式バッテリーの使用を妨げています11,12。寒冷地環境でのバッテリー性能は、低温で起こる複雑な基礎プロセスの理解を深めることでしか最適化できません。
コインセル電池はコンパクトな設計のため、小型の携帯電子機器の電源供給に一般的に使われます。また、新しいバッテリーの化学構造やデバイス全体の性能を試験するために、研究室でよく使われます。コインセルは組み立てが簡単で低コストであるため、研究者は新しい試作機を迅速にテストし、その後より大きく複雑かつ高価なバッテリーパックへとスケールアップできます。また、小型であるため低温試料環境装置にも容易に収まり、オペランドおよび 現地 での調査が実現します。したがって、コインセルは温度依存型バッテリー研究に優れた選択肢であり、非常温コインセルバッテリー試験専用の低温(≈ 0°C)チャンバーの明確な必要性があります。商業用家庭用冷蔵庫はこれらの実験に必要な低温を簡単に提供できますが、湿度調整がないため腐食の問題を引き起こし、測定の精度を損なっています。商業用の特殊機器は大規模なバッテリー研究室向けにカスタマイズされる傾向があり、多くの場合、数十から数百個のバッテリーを同時に測定します。この機器は高価で、予算の少ない研究室ではコストがかかりすぎることがあります。
ここでは、組み立てが容易で実装が速いシンプルでコスト効率の良い低温チャンバー設計を報告します。これにより、より多くの低温バッテリー研究が可能となります。この設計により、低湿度環境下で4つの2032コインセルの信頼性の高い温度制御が可能となり、腐食や結露の問題を軽減します。これは、小規模な研究室で導入可能な商用温度制御装置のコスト効率の良い代替手段を提供します。このシンプルな設計は、最小限の加工、市販の部品、そして提供されたファイルを使って3Dプリンターで製造可能なカスタム部品を用いて、1週間以内で簡単に組み立てられます。全体のコストは約870ドルですが、これらの材料の多くは一般的に入手可能で、すでに研究室に存在している可能性があるため、この装置の製造コストはかなり低く抑えられます。システムの組み立て方法についてのステップバイステップガイドも提供されています。
この設計の有効性は、非常温(0°C)条件下でのオペランドガルバノスタティックサイクリングによって実証され、数か月にわたる長期サイクルにも適していることが示されています。温度制御性能やチャンバー内の温度分布の3D表現も示しています。ここには結果は示されていませんが、このチャンバーは巡回ボルタンメトリーや電気インピーダンス分光法などの追加のオペランド電気化学実験にも使用できます。この設計の改良点や、より幅広いオペランド測定を可能にするための検討や、チャンバーの温度範囲拡大の可能性についても議論されています。
この温度チャンバーの主な目的は、凝縮を抑えつつ安定した温度制御を実現し、4つの2032コインセルをこれらの条件下でサイクルさせることです。一次冷却は市販のミニ冷蔵庫で実現されますが、実験目的では温度変化が信頼性に欠けることがあります。したがって、この設計はオンオフコントローラを用いて、2つの熱電モジュールを制御し、アセタール樹脂から加工された小さな気密チャンバーをさらに調整します。ヒートシンクやファンは熱を放散し、熱電モジュールはわずかな温度差を維持できます。蓋のフィードスルーにより、8本の配線が通ってバッテリーサイクルが可能です。設計の断面図は 図1Aに示されています。

図1:温度室。 (A) 部品がラベル付けされた低温室の図。(B) 組み立て直後の温度チャンバー。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。
1. チャンバーの製造

図2:チャンバーの冷却システムを制御する回路の電気回路図。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。
2. チャンバーの使用
チャンバーの性能は3つの方法で試験されました:(1) チャンバー全体の温度勾配の測定、(2) 初期建設後24時間および使用7か月後168時間の温度モニタリング、(3) リチウムイオン電池コインセルのサイクルデータを100サイクルまたは~3か月間にわたり収集すること。以下で述べるこれらの結果は、チャンバーが数か月間一定温度を維持し、平均温度変動が0.75°C未満であることを示し、電気化学的サイクルデータが一貫していることを示しています。

図3:冷房の三次元温度依存性。 YZ平面は 図1に示されている平面です。ミニ冷蔵庫内で使用できるカスタムの2軸温度データロガーも製作されました。各データ点は独自の温度測定を示し、チャンバー全体の温度変動は±0.4°Cとなります。 データ収集および分析の詳細は 補足ファイル2に記載されています。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。
温度勾配:
チャンバー全体の温度変動は比較的一定で、 図3±0.4°Cの範囲のみ変動しました。変動は右側の熱電モジュールに近いほどやや暖かい体積を示しており、これはモジュール自体の変動や各モジュールに供給される電力量による可能性があります。
熱電モジュールの表面は常に周囲の空気より数度冷たかったため、バッテリーホルダーがモジュールに接触しないようにすることが正確な温度管理に重要でした。バッテリーホルダーのアライメントガイドを使用することで、ホルダーとモジュール間の接触の可能性が低減されました。

図4:時間による温度変動。 (A) 建設直後の初期温度分布では、24時間で10秒ごとに測定した場合±0.13°Cの標準値変動が示されています。(B) 7か月の使用後、1週間で10秒ごとに温度分布を測定し、±0.75°Cの変動が見られた。このデータ取得およびガウス平滑化に関する詳細は 補足ファイル2に記載されています。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。
温度モニタリング:
平均温度変動は7か月の使用後、168時間10秒ごとに測定され、 図4でその期間中は安定していることが確認できます。 図4B のデータのブロック状の性質は、温度の急速な振動によるものと考えられます。必要に応じて、より高度な制御方法を使ってこれらの振動を軽減することも可能です。平均気温は当初±0.13°C変動し、 図4Aに示されましたが、7か月間で上昇し、 図4Bに示されるように±0.75°Cに達しました。これは時間とともにチャンバーが不安定になるサインかもしれませんが、ラボの周囲温度が上昇するなど他の要因による可能性もあります。それでも、温度の安定性は時間経過に伴うほど重要であり、この温度制御のレベルはほとんどの低温バッテリー調査には一般的に十分です。チャンバー内の温度特性に関する追加詳細は 補足ファイル2に記載されています。

図5:100サイクルにわたるバッテリー容量の進化。 (A) 循環浴システムを用いて温度制御を行うサイクルデータ。バッテリーの結露による温度変動や腐食問題により、容量に大きな変動が見られました。(B) 本論文で提示されたカスタマイズされた低温チャンバーを用いたサイクルデータで、ノイズが大幅に減少しました。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。
電気化学的サイクルデータ:
バッテリー試験中の温度維持性能を試験するため、市販の4つの2032リチウムイオンコインセル電池でガルバノスタッキングテストが実施されました。これらのコインセルは0±1°CでC/7のCレートで100サイクルサイクルされ、約3ヶ月かかりました。結果は 図5Bに示されています。これらのデータは、前世代の温度室と比較しており、前世代は発泡スチロール断熱アルミニウム製のチャンバーと、不凍液を含む循環浴を用いていました。循環浴法は 図5Aに見られるように測定セル容量に大きな偏差をもたらし、繰り返しのサイクル中に電池セルの腐食を引き起こしました。ここで報告された新しいチャンバー設計は、測定セル容量の大幅な改善を示しており、温度安定性の向上、セル腐食のなさ、データのノイズの大幅な低減が強調されています。
チャンバーの正常な動作は、わずかな変動のみの一定温度と、不規則な電圧やセル容量の急激な増減などの説明のつかない突然の変化がない電気化学データによって示されます。チャンバーが最初に組み立てられ電源を入れた後は、温度が徐々に上昇したり下がったりしないか、冷蔵庫の設定を調整しないよう、24時間から数日間チャンバー内の温度を記録しておくことが推奨されます。
補足ファイル1:3Dプリント用のSTLファイル。 ファイルには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、Chamber Lid.stl ファイルが含まれます。 このファイルをダウンロードするにはこちらをクリックしてください。
補足ファイル2:印刷指示と温度特性評価。このファイルをダウンロードするにはこちらをクリックしてください。
補足ファイル3:STLファイルでメインの蓋と蓋ホルダーを3Dプリントします。このファイルをダウンロードするにはこちらをクリックしてください。
重要なステップ:
冷却チャンバーの正しい性能を確保するために、プロトコルにはいくつかの重要なステップがあります。配線接続は回路が正常に動作し、正確なデータ収集のために必要であるため、注意が必要です。配線接続不良は電圧の読み取りに不規則を引き起こすことがあり、コインセルをチャンバーに入れる前にボルトメーターで配線接続をテストすることで回避できます。
空気漏れは避けるべきです。空気漏れはチャンバー内に追加の湿気を流入させ、セルに結露して腐食を引き起こす可能性があります。蓋やその他の穴の精密加工、ガスケット素材とグリースによる慎重なシールにより、チャンバーの長期的な信頼性と性能が保証されます。チャンバーが気密でない場合、セルの結露により腐食が生じることがあり、通常はセル容量の急激な増減などの不安定な性能によって示されます。また、セルホルダーからセルを取り出す際には漏れや変色が見られることがあります。
最後に、データログに使用される熱電対が正確に校正され、適切に位置取りされてからチャンバーに密封されることが、チャンバーの温度性能を確実に記録するために重要です。
改造点:
この温度チャンバーは0°Cでの2032件のコインセル実験に特化して設計されていますが、同様の環境要件を持つ幅広い実験に対して改良・最適化が可能です。2032セル用のコインセルホルダーは、異なるコインセル用のものに簡単に交換できます。異なるバッテリー形状(例:円筒形、ポーチ型)もバッテリーホルダーの変更で対応可能ですが、チャンバーの寸法を大きくする必要がある場合があります。このチャンバーは、熱電モジュールへの電力を12V以上に上げることで、より低温に到達できる可能性があります。この設計で使用される熱電モジュールは、-40°Cまでの冷却能力が認められています。 しかし、熱の放散性能の向上や、チャンバー内の温度勾配の評価、そしてこの低温下での全部品の正常な動作を確保するための試験が必要です。プリント基板はデータの記録と熱電モジュールの制御の両方に使え、2つの熱電対を必要としない。最後に、チャンバーが主に湿度制御に使われ、正確な温度制御が不要であれば、蓋とチャンバーの設計は熱電モジュール、制御システム、放熱部品を不要に使用できます。
トラブルシューティング:
シンプルな設計のため、ほとんどの潜在的な問題は比較的簡単に解決できるはずです。バッテリーの腐食は空気漏れの兆候であり、すべての穴を塞ぐことが最初の対策です。ノイズの多いバッテリーサイクルデータは、配線の問題やバッテリーホルダーとの物理的な接触不良を示しており、接続を改善することで解決可能です。また、セルに結露が発生し腐食の原因となるサインであることも含まれますので、システムの気密性も確認してください。望ましい温度を達成できない原因は、熱グリースの不適切な塗布、熱電モジュールの範囲外での望ましい温度の達成、モジュールに供給される電流や電圧の不足、または効果的な発熱不良など、さまざまな要因が原因となります。
制限事項:
このチャンバー設計の主な制約は、どれかを扱うために4つのバッテリーすべてを抜き出す必要があることです。これにより、4つのバッテリーすべてが他の環境にさらされ、取り外す必要がある場合に発生します。この問題は現行の設計では緩和が難しいです。もう一つの制約は、熱電モジュールに電力が供給されるとチャンバー内の温度が急速に上昇することです。したがって、モジュールへの電力損失を防ぐことが極めて重要です。停電が懸念される場合は、無断電源やバックアップ発電機を用いて望ましくない温度変化を防ぐことが有益です。
重要性:
バッテリーは低温での性能著しい低下を続けており、この問題に関する新たな研究がますます重要になっています。この温度チャンバー設計は、2032コインセル電池を低温でサイクルしつつ、結露や腐食を抑えるために特別に作られました。もう一つの重要な目標は、コスト効率が高く組み立てやすい設計を作ることでした。この設計の特別に作られた市販の代替品は通常高価であり、標準冷蔵庫のような低コストの選択肢は結露を完全に防げず、温度変動が増加することもあります。したがって、この設計は低温バッテリーサイクル研究を行いながら研究予算を負担せずに実施したい研究者にとって、低コストで迅速に実装できる選択肢となり得ます。
著者には開示すべき利益相反はありません。
著者らは、チャンバーの初期加工に協力してくださったスワースモア大学工学部のJ・ジョンソン氏に感謝の意を表します。この研究は国立科学財団の助成金番号4 2430817によって支援されました。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 1/4インチ-20 x 1インチキャップスクリュー | グレンジャー | 4XE35 | 必要です:9;ヒートシンク用に8、蓋用に1 |
| 12Vファン | Digikey | 2223-CFM-9225C-130-356-ND | 必要2;空気をヒートシンクに循環させるために使われます |
| 交流から12Vへ10Aコネクター | Digikey | AD-EL-1201200-Z | 壁の電源 変換; |
| アセタル樹脂 | マクマスター | 8575K148 | 1.5インチ×6インチ×6インチストック |
| バッテリーホルダー | Digikey | 36-1086-ND | 必要4;2枚追加 |
| バッテリー配線スライダー | 該当なし | 該当なし | PLAから3Dプリント |
| データログ熱電対 | エクステック | 872501-S | 推奨する熱電対を代替することも可能です |
| 電子開発委員会 | アダフルーツ | 3000 | 補足ファイル2を参照 |
| 電子テメプラチャーログシステム | Arduino | A000066 | 補足ファイル2を参照 |
| 冷蔵庫 | マジックシェフ | MCR170BE | 標準的な冷蔵庫に代用可能です |
| ガスケットジグ | 該当なし | 該当なし | PLAから3Dプリント |
| ガスケット素材 | マクマスター・カー | 5542N125 | |
| ヒートシンク | Digikey | 345-127709-ND | 必要です 1;2つのヒートシンクにカットします |
| ヒートシンククランプ | 該当なし | 該当なし | PLAから3Dプリント |
| インスタントグルー | ロックタイト | 234790 | スーパーグルーとも呼ばれる |
| 蓋ホルダー | 該当なし | 該当なし | PLAから3Dプリント |
| 長い結束バンド | Digikey | 2162-AL-14-50-0-C-ND | 100個のパック、4個以下で十分です |
| オス/メスクリンプセット | マウス | 474-PRT-10501 | 8つ必要で、予備も4つ揃うべきです |
| オン/オフコントローラー | アマゾン | 7.38587E+11 | 2枚組 |
| 電源から2線式コネクターへの接続 | Digikey | CP-024A-ND | 必要 1 |
| プロトボード | アダフルーツ | 1609 | 必要 1 |
| プロトボードマウント | 該当なし | 該当なし | PLAから3Dプリント |
| 短いジップタイ | サウスワイヤー | BL4M2-C | 100人のパック |
| シリカジェル | マクマスター | 2189K14 | 余分な水分を吸収するために使われます |
| シリコーン | ロックタイト | 908570 | ほとんど必要ありません |
| スパードコネクター | マクマスター | 7060K79 | 8台必要、予備を用意すべきです |
| 撚り22AWGワイヤー | アダフルーツ | 3175 | 優先配線は代替可能です |
| スイッチマウント | 該当なし | 該当なし | PLAから3Dプリント |
| テンポンリッド | 該当なし | 該当なし | PLAから3Dプリント |
| サーマルグリース | ウェイクフィールド | 120-5 | ほとんど必要ありません |
| 熱電モジュール | DigiKey | 102-1682-ND | 必要2;製造元製品#:CP85438 |
| 温度計 | エクステック | EA15 | 代わりに推奨温度計を使うことができます |
| 真空グリース | デュポン | 2708493 | ほとんど必要ありません |
| ワイヤーからアリゲーターへの変換器 | 該当なし | 該当なし | PLAから3Dプリント |
| 配線局ボトム | 該当なし | 該当なし | PLAから3Dプリント |
| 配線局トップ | 該当なし | 該当なし | PLAから3Dプリント |
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