低温オペランド実験用のコインセルバッテリーチャンバー設計

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、さまざまな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。寒冷地環境ではバッテリー性能が低下しやすく、低温バッテリーの研究に特化し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、非環境実験に特化しない研究施設での研究は困難です。ここでは、組み立てが容易で実装が迅速に可能なシンプルでコスト効率の高い温度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コインセルに安定した温度を供給し、腐食や結露の問題を軽減します。

このプロトコルでは、チャンバーの製造の主な手順を解説し、その後、チャンバーの使い方を実演します。追加の指示は全文に記載されています。まず、PLAを使ってチャンバーとチャンバー蓋ファイルを除くすべての補助STLファイルを3Dプリントします。

次に、アセトール樹脂ブロックを指定された寸法に粉砕します。私たちはCNCまたは手動フライス盤を使ってメインチャンバーと蓋を作成し、チャンバーとチャンバー蓋の補足ファイルを示します。また、ヒートシンクのサイズに合わせて切り、穴のレイアウトファイルに従って貫通穴を開けてください。

これで機械工場が必要な部品はすべて揃っているはずです。4つのバッテリーホルダーをバッテリー配線スライダーに通し、次に蓋を通してください。バッテリーホルダーのタブがそれぞれオンの位置にあることを確認してください。

図2の配線はすべて、熱電モジュールと12ボルトファン以外を接続してください。これらは後で接続します。12ボルトとアース線を電源に2線式コネクタにハンダ付けします。

まず切断工具とガスケットジグを使ってガスケットの材料を切断し、2つのガスケットを作ります。ジグの下からガスケットを引き抜いて切りすぎないように、軽く圧力をかけてください。ガスケットをメインチャンバーのサイドポケットの一つに入れ、ポケット内で平らにします。

熱電モジュールの配線をメインチャンバーの側面の穴から通し、番号付きのコールドサイドをチャンバー内に向けます。熱電の番号なしホット側に薄く完全な熱グリースを塗布します。熱電モジュールの外側のチャンバーに薄いシリコーンのリングを貼ります。

メインチャンバーの上にヒートシンクを慎重に置いてください。ヒートシンクをメインチャンバーにねじ込んでシリコンを絞り出します。これにより気密なシールが形成されます。

余分なシリコンは取り除きましょう。両側で繰り返します。蓋と熱電対をチャンバーに滑り込ませた後、ヒートシンクの両側に12ボルトのファンを2つ設置します。

ヒートシンクに吹き込む向きを合わせてください。長い結束バンドを3本使ってファンをしっかりと固定します。スイッチマウントとプロトボードマウントをヒートシンククランププリントにインスタントグルーで接着します。

マウントをヒートシンクの上段にスライドさせてください。プロトボード、オンオフスイッチ、コントローラー、絶縁材をそれぞれマウント上の位置に配置します。配線を整理した後、熱電モジュールと12ボルトファンの接続部をはんだ付けします。

チャンバーは完全に組み立てられました。チャンバーを適切な温度に冷却するには、手動のオンオフスイッチで熱電モジュールをオフにしてください。コントローラーを冷却モードに設定してください。

希望温度を0度に、オフ差を0.1度に設定します。極端な過熱や異常な過冷を防ぐために、温度範囲をマイナス55度から24度に設定してください。データログ用熱電対を温度計に接続し、チャンバーを冷蔵庫に入れた後、オンオフスイッチを再びオンにします。

チャンバーはこれで使用可能になりました。バッテリーを追加・取り外しするためにチャンバーを開けるには、蓋のボルトの裏側にドライバーを当ててください。外側の端を支点に使い、ドライバーのハンドルを押し下げます。

蓋が緩んだら、手で引き抜き、平らな面か付属の3Dプリントの蓋ホルダーに置き、仮の蓋に替えます。交換したいバッテリーホルダーを開けて、コインセルをホルダーに入れます。仮の蓋を外し、その後チャンバー内のシリカゲルパックを外します。

湿気は布で拭き取り、シリカゲルのパックをチャンバーに戻して余分な水分を吸収します。メインの蓋を交換してください。チャンバー内の温度が再び平衡化するまでに最大2時間かかることもあります。

チャンバーが0度の一定温度を維持する信頼性を評価するために、その性能は3つの方法で試験されました。まず、自動温度データロガーを使ってチャンバー全体の温度勾配を測定しました。チャンバー全体の温度変動は一定で、わずか4度の変動でした。

次に、新たに組み立てられたチャンバーの温度安定性を1日かけて監視し、温度差は13度セルシウスを維持しました。長期的な性能を検証するため、7か月間使用した後、1週間の測定を行い、温度差がわずかに75度に減少しました。最後に、4つのリチウムイオン2032コインセルが3か月間100回サイクルされました。

この実験を通じて、サイクルデータでは一貫した性能と低いノイズが示されています。これらの結果は、チャンバーが一定温度を維持でき、低温の電気化学サイクル実験を信頼性高く行えることを示しています。ここでは、2032コインセルを低湿度環境下でコスト効率よく低温バッテリーサイクルを可能にするシンプルな設計を紹介しました。

性能試験の結果、この装置は温度変化が1度未満の長期的な信頼性を示すことが示されました。