저온 오페란도 실험을 위한 동전 전지 배터리 챔버 설계

요약

2032 코인 셀을 저습도 환경에서 비용 효율적인 저온 배터리 사이클링을 가능하게 하는 설계가 제시되었습니다. 셀은 열전 모듈로 냉각된 챔버 내에서 0 °C에서 순환됩니다. 이 간단한 설계는 유사한 열 및 습도 제어 환경이나 서로 다른 배터리 형상이 필요한 실험에 적용할 수 있습니다.

초록

우리가 기기를 구동하는 충전식 배터리에 점점 더 의존하게 되면서, 추운 날씨 환경에서 발생하는 용량과 성능 저하를 이해하는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다. 저온에서의 배터리 사이클링 성능에 초점을 맞춘 연구는 첨단 배터리 설계와 최적화를 안내하는 데 필수적입니다. 하지만 시중에서 구할 수 있는 저온 배터리 사이클링 장비는 대체로 비용이 많이 들기 때문에 많은 시설에서 저온 사이클링 연구가 이루어지지 않습니다. 다음은 조립 및 구현이 쉽고, 간단하고 비용 효율적인 온도 챔버 설계입니다. 이 설계는 저습도 환경에서 4개의 2032 코인 셀을 신뢰성 있게 온도 조절할 수 있게 하여 부식과 결로 문제를 줄여줍니다. 전기화학적 사이클링 데이터는 T = 0 ± 1 °C에서 C/7 C-rate에서 100회 사이클 동안 세포 용량 변화를 입증하는 것으로 나타났습니다. 현재 설계에서는 온도를 -5 °C까지 낮출 수 있으며, 작은 수정으로 더 낮은 온도를 낼 수 있습니다. 또한 이 설계는 다른 종류의 배터리를 수용하거나 측정하는 샘플 수를 늘리는 데 쉽게 적응할 수 있습니다.

서론

세계가 점점 전기화됨에 따라 배터리는 우리 기기에 에너지를 공급하는 데 중요한 역할을 합니다. 전기차에 동력을 공급하는 것부터 그리드 수준의 재생 에너지를 위한 에너지 저장에 이르기까지, 다양한 기후에서 고성능을 발휘하는 배터리 개발이 점점 더 중요해지고 있습니다 ^1,2. 배터리 성능은 추운 환경에서 자주 저하되므로, 저온 배터리 연구에 집중하는 연구가 더 필요합니다 ^3,4. 하지만 시중에서 구할 수 있는 저온 배터리 사이클링 장비는 비용이 많이 들기 때문에, 일반적으로 비주변 실험에 집중하지 않는 연구기관에서는 이러한 연구를 수행하기 어렵습니다.

많은 배터리 응용 분야는 0 °C에 가까운 중간 온도에서 저온 거동만 이해하면^됩니다. 이 제한된 온도 범위에도 불구하고, 배터리는 저온 ^6.7에서 전체 용량, 성능, 충전 특성에서 상당한 감소를 계속해서 보입니다. 예를 들어, 상업용 리튬이온 배터리는 −40 °C ^8,9에서 실온 용량의 10%만 유지합니다. 음극, 양극, 전해질을 포함한 셀의 모든 구성 요소는 비상온^온도에서 6,7,10에서 효과가 문서화되어 있습니다. 이 문제는 최근 전기차의 등장으로 점점 더 중요해지고 있으며, 겨울철 혹독한 기후를 가진 국가들에서 충전식 배터리 사용을 방해하고 있습니다^11,12. 추운 날씨 환경에서 배터리 성능은 저온에서 발생하는 복잡한 기저 과정에 대한 이해를 깊게 해야만 최적화될 수 있습니다.

코인 셀 배터리는 소형 휴대용 전자기기에 전원을 공급하는 데 흔히 사용됩니다. 또한 연구실에서 새로운 배터리 화학 성분과 전체 장치 성능을 테스트하는 데 자주 사용됩니다. 코인 셀은 조립이 쉽고 비용이 저렴해 연구자들이 더 크고 복잡하며 비싼 배터리 팩으로 확장하기 전에 신제품 프로토타입을 빠르게 테스트할 수 있습니다. 작은 크기 덕분에 저온 시료 환경 장비에도 쉽게 장착할 수 있어 실제 작업과 현장 조사가 가능합니다. 따라서 코인 셀은 온도 의존성 배터리 연구에 훌륭한 선택이며, 비주변 코인 셀 배터리 테스트를 위해 특별히 설계된 저렴한 저온(≈ 0 °C) 챔버가 명확히 필요합니다¹³. 상업용 가정용 냉장고는 이러한 실험에 필요한 낮은 온도를 쉽게 제공할 수 있지만, 습도 조절이 부족해 부식 문제가 발생하고 측정의 정확성이 떨어집니다. 특수 상업용 장비는 대규모 배터리 연구소에 맞춰 맞춤 제작되며, 한 번에 수십 또는 수백 개의 배터리를 측정하는 경우가 많습니다. 이 장비는 비용이 많이 들고, 예산이 적은 연구소에는 비용이 부담스러울 수 있습니다.

여기서는 조립이 쉽고 구현이 빠른 간단하고 비용 효율적인 저온 챔버 설계를 보고하며, 이를 통해 더 많은 저온 배터리 연구를 수행할 수 있게 합니다. 이 설계는 4개의 2032 코인 셀을 저습도 환경에서 신뢰성 있게 온도 조절하여 부식과 결로 문제를 줄여줍니다. 상업용 온도 제어 장비에 대한 비용 효율적인 대안으로, 소규모 연구실에 도입할 수 있습니다. 이 단순한 설계는 최소한의 가공, 쉽게 구할 수 있는 기성 부품, 그리고 제공된 파일을 사용해 3D 프린터로 제작할 수 있는 일부 맞춤 부품을 이용해 일주일 이내에 쉽게 조립할 수 있습니다. 전체 비용은 약 870달러이지만, 많은 재료가 일반적으로 구할 수 있고 이미 연구실에 존재할 수 있기 때문에 이 장치의 전체 생산 비용은 상당히 낮을 수 있습니다. 시스템 조립 방법에 대한 단계별 가이드가 제공됩니다.

설계의 효과는 비상온(0°C) 온도 조건에서 오페란도 갈바노스태틱 사이클링을 통해 입증되었으며, 수개월간 장기 사이클링에 적합하다는 것이 입증되었습니다. 온도 제어 성능과 챔버 내 온도 분포의 3D 표현도 함께 보여준다. 결과는 여기 제시되지 않지만, 이 챔버는 순환 전압계와 전기 임피던스 분광법 등 추가적인 오페란도 전기화학 실험에도 사용할 수 있습니다. 더 넓은 오페란도 측정 범위 개선과 챔버 온도 범위 확장 가능성에 대해 논의합니다.

이 온도 챔버의 주요 목적은 응축을 최소화하면서 신뢰할 수 있는 온도 조절을 가능하게 하여, 이러한 조건에서 4개의 2032 코인 셀을 순환시키는 것입니다. 1차 냉방은 상업용 미니 냉장고를 사용해 얻지만, 실험 목적으로는 온도 변화가 신뢰할 수 없을 수 있습니다. 따라서 이 설계는 두 개의 열전 모듈을 제어하는 온-오프 컨트롤러를 사용하여 아세탈 수지로 가공된 작은 밀폐 챔버를 더욱 조절합니다. 히트 싱크와 팬은 열을 방출하여 열전 모듈이 작은 온도 차이를 유지할 수 있게 합니다. 뚜껑에 위치한 피드스루는 8개의 전선을 통과시켜 배터리 사이클링을 가능하게 합니다. 설계의 단면을 도식적으로 표현한 것은 그림 1A에 나타났습니다.

그림 1: 온도 챔버. (A) 구성 요소들이 표시된 저온 챔버 일러스트. (B) 조립 상태의 온도실. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

프로토콜

1. 챔버 제조

1. 3D 프린팅 부품
   1. 보조 파일 1(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)을 제외한 모든 STL 파일을 폴리락틱산(PLA)을 사용해 3D 출력합니다.
      참고: 인쇄 지침은 보충 파일 2의 일부입니다. 이 프로토콜의 첫 번째 부분에서는 재료표 의 부품은 이탤릭체로 표시되고, 3D 프린팅 부품은 확장자(.stl)를 사용합니다.
2. 메인 챔버, 뚜껑, 히트 싱크의 밀링
   1. 아세탈 수지 블록을 4인치 × 3.5인치 × 1.5인치, 1.45인치 × 1.45인치 × 1.125인치 블록으로 가공하세요.
      주의: 가공은 위험할 수 있으며 개인 상해를 초래할 수 있습니다. 이 프로토콜 전반에 걸쳐 가공이 포함된 단계는 반드시 훈련된 전문가에 의해 수행되어야 합니다.
   2. 컴퓨터 수치 제어(CNC) 또는 수동 밀링 머신을 사용하여 Chamber.stl 및 Chamber Lid.stl 파일에 표시된 보 충 파일 1에 표시된 대로 메인 챔버와 뚜껑을 만듭니다.
      참고: 뚜껑은 밀폐 처리를 위해 가공되어야 합니다. 더 나은 밀폐를 위해 O-링을 추가할 수 있습니다.
   3. 히트 싱크를 4인치 x 3.5인치 프로파일 두 개로 잘라내세요.
   4. 보충 파일 1의 구멍 Layout.pdf 파일에 따라 구멍을 뚫으세요.
   5. 히트싱크 핀에 구멍을 뚫어 캡 나사 머리를 넣을 공간을 확보하세요.
   6. 뚜껑 상단에 1/4"-20 X 1" 볼트를 나사로 고정하세요. 이 볼트는 뚜껑을 챔버에서 쉽게 분리할 수 있게 해줍니다.
   7. 네 개의 배터리 홀더를 배터리 배선 슬라이더를 통과한 뒤 뚜껑을 통과하세요. 배터리 홀더 탭이 모두 ON에 있는지 확인하세요.
   8. 뚜껑으로 들어가는 모든 철사 구멍에 실리콘을 넣고 굳히도록 하세요.
      참고: 이 절차 중 발생하는 화학 폐기물은 제조업체의 지침과 물질 안전 데이터 시트에 따라 처리되어야 합니다.
3. 전자 부품 조립
   주의: 전기 위험. 모든 전기 작업은 훈련된 전문가가 수행해야 합니다.
   1. 그림 2에 나오는 모든 배선을 열전 모듈과 12V 팬을 제외한 모든 배선을 연결하세요. 이 부분들은 나중에 연결될 예정입니다.
   2. 12V 전선과 접지선을 전원 공급 장치와 2선 커넥터에 납땜하세요.
      주의: 납땜 위험에는 열 손상과 흡입 위험이 포함됩니다. 작업은 반드시 훈련된 전문가가 환기가 잘 되는 곳에서만 수행해야 합니다.
4. 심실 조립
   1. 먼저 절단 도구와 개스킷 지그.stl(보충 파일 1)을 사용해 가스켓 재료를 절단하여 두 개의 개스킷을 만듭니다. 가볍게 압력을 가해 지그 아래에서 가스켓을 빼내거나 너무 많이 자르지 않도록 하세요.
   2. 가스켓을 메인 챔버 측면 주머니 중 하나에 넣어 주머니 안에서 평평하게 만드세요.
   3. 열전 모듈 전선을 메인 챔버의 측면 구멍을 통과시키고, 번호가 붙은 (차가운) 열전 모듈 면이 챔버 안을 향하게 하세요.
   4. 열전 번호가 없는(뜨거운) 면에 얇지만 완전한 열 그리스 층을 바릅니다.
   5. 열전 모듈 외부 챔버에 얇은 실리콘 링을 적용하세요.
   6. 메인 챔버 위에 조심스럽게 히트싱크를 올려놓으세요. 1/4"-20 x 1" 캡 나사를 메인 챔버에 삽입해 실리콘을 압착하세요. 이렇게 하면 밀폐 밀봉이 형성됩니다. 과잉 실리콘은 제거하세요.
   7. 양쪽 모두 반복하세요. 실리콘이 굳을 때까지 기다리세요.
   8. 챔버 뚜껑 하단 부분에 얇은 진공 그리스 층을 발라서 챔버 안으로 밀어 넣으세요.
   9. 데이터로깅 열전대와 ON/OFF 컨트롤러의 열전대를 챔버 측면의 각각 구멍에 끼워 넣으세요.
   10. 챔버로 들어가는 모든 와이어 구멍에 실리콘을 넣고 굳히도록 하세요.
   11. 12V 팬 두 개를 히트싱크 양쪽에 배치하고, 히트싱크에 바람이 들어오도록 방향을 맞추세요. 그림 1B에 나와 있는 대로 세 개의 긴 지퍼 타이를 사용해 팬을 제자리에 조이세요.
5. 마운트 및 배선 조립
   1. 보조 파일 1의 Switch Mount.stl과 Protoboard Mount.stl을 히트 싱크 클램프 출력물에 인스턴트 글루로 붙이세요.
      주의: 화학적 위험. 제조사에서 지시하는 모든 화학약품을 사용하세요.
   2. 마운트를 히트 싱크 상단 줄에 밀어 넣으세요. 프로토보드, ON/OFF 스위치, 컨트롤러, 절연 재료를 마운트 위의 각각 위치에 배치하세요. ON/OFF 스위치가 양면 테이프로 고정되어 있는지 확인하세요. 플렉시글라스나 다른 절연 재료를 사용해 프로토보드 위의 프로토보드 마운트.stl에 끼워 넣어 우발적인 합선을 방지하세요.
   3. 수암 크림프 세트를 사용해 각 배터리 홀더의 전선에 수컷 커넥터를 압착하세요. 22 AWG 게이지 와이어와 와이어 커넥터를 사용해 필요한 곳에 선을 연결하세요. 커넥터를 분리할 때 수컷 쪽을 잡는 니들 노즈 플라이어를 사용하는 것이 전선 자체에 과도한 스트레스를 주는 것을 방지하는 것이 권장됩니다.
   4. 배선 스테이션 Bottom과 Top.stl 3D 프린트(보조 파일 1)를 사용해 배선을 정리하세요.
   5. 스페이드 커넥터와 Wire to Alligator Converter.stl(보조 파일 1)를 사용해 셀에 악어 형태로 연결할 수 있도록 하세요.
6. 최종 조립
   1. 전선을 정리한 후에는 열전 모듈과 12V 팬 연결부를 납땜하세요. 이제 이 기관실은 완전히 조립되었습니다.

그림 2: 챔버 냉각 시스템을 제어하는 회로의 전기 회로 회로도. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

2. 챔버 사용

1. 챔버 제어
   1. 챔버를 적절한 온도로 냉각하려면 수동 ON/OFF 스위치로 열전 모듈을 끄세요. 전원 공급 장치에 연결하세요.
   2. 컨트롤러를 쿨링 모드로 설정하세요. 원하는 온도를 0°C로, 켜는 차를 0.1°C로 설정하세요. 온도 범위를 -55°C에서 24°C로 설정하여 극심한 과열이나 과냉각을 방지하세요.
      참고: 냉장고 온도를 원하는 온도보다 약간 더 따뜻하게(~2 °C) 조절하세요. 냉장고 온도는 ON/OFF 컨트롤러가 원하는 온도보다 더 따뜻해야 온도를 유지할 수 있지만, 온도가 너무 높으면 열전 모듈이 원하는 온도에 도달하지 못할 수 있습니다.
2. 벌목 온도
   1. 데이터로깅 열전대를 온도계에 연결하고 챔버를 냉장고에 넣으세요.
   2. 온도계를 무기한 켜두도록 설정하고 24시간 동안 몇 초마다 온도를 기록하세요.
      참고: 제대로 작동할 경우 챔버 내 온도는 ± 1 °C를 넘지 않아야 합니다.
   3. 냉각을 시작할 준비가 되면 수동 ON/OFF 스위치를 켜세요. 이제 챔버는 사용 준비가 완료되었습니다.
3. 챔버를 열고 배터리를 추가하는 것
   참고: 배터리를 적극적으로 측정할 경우, 큰 온도 변화를 방지하고 배터리 응결을 줄이기 위해 샘플 교체를 신속하게 해야 합니다. 주뚜껑 작업이 진행되는 동안, Temporary Lid.stl을 사용하여 샘플 교체 시 임시 뚜껑을 3D 프린팅하여 보 충 파일 3에 포함되어 있습니다.
   1. 챔버를 열어 배터리를 추가하거나 빼려면, 뚜껑 볼트 아래쪽에 드라이버를 대세요. 바깥쪽 가장자리를 받침대로 삼아 드라이버 손잡이를 눌러라. 뚜껑이 느슨해지면 손으로 꺼내 평평한 표면에 놓거나, 보충 파일 3 에 포함된 Lid Holder.stl을 사용해 뚜껑 받침대를 3D 프린팅하세요. 챔버 뚜껑을 임시 뚜껑으로 교체하세요.
   2. 교체할 배터리 홀더를 열고 코인 셀을 홀더 안에 넣으세요.
   3. 임시 뚜껑을 제거한 후 챔버 안의 실리카 젤 봉지를 제거하세요. 수분은 천으로 닦아내고, 실리카 젤 봉지를 챔버에 넣어 추가 습기를 흡수하는 데 도움이 됩니다.
   4. 메인 뚜껑을 다시 닫고 챔버를 다시 냉장고에 넣으세요.
      참고: 실내 온도가 다시 평형화되는 데 최대 2시간이 걸릴 수 있습니다.
4. 저온에서의 오페란도 사이클링
   1. 원하는 온도에 도달하면 사이클링 실험을 수행하세요.
   2. 온도를 계속 기록하여 챔버가 원하는 온도를 유지하도록 하세요.

결과

챔버의 성능은 세 가지 방법으로 테스트되었습니다: (1) 챔버 전반의 온도 구배 측정, (2) 초기 건설 후 24시간 동안 온도를 모니터링하고 7개월 사용 후 168시간 동안 모니터링, (3) 리튬이온 배터리 코인 셀의 사이클링 데이터 수집, 즉 100회 사이클 또는 ~3개월 동안 수집. 아래에서 논의하는 이 결과들은 챔버가 평균 온도 변화가 0.75 °C 미만으로 수개월간 일정한 온도를 유지할 수 있음을 보여주며, 일관된 전기화학적 사이클 데이터를 제공합니다.

그림 3: 냉기 챔버의 3차원 온도 의존성. YZ 평면은 그림 1에 묘사된 평면이다. 소형 냉장고 내부에서 사용할 수 있는 맞춤형 2축 온도 데이터 로거가 제작되었습니다. 각 데이터 포인트는 고유한 온도 측정값을 나타내며, 챔버 전체의 온도 변동이 ± 0.4 °C로 나타납니다. 데이터 수집 및 분석에 대한 추가 설명은 보충 파일 2에 제공되어 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

온도 구배:
챔버 전체의 온도 변화는 비교적 일정했으며, 그림 3에서 볼 수 있듯이 0.4 °C ±만 변동했습니다. 변동은 오른쪽 열전 모듈 가까이에 약간 더 따뜻한 부피가 나타났는데, 이는 모듈 자체의 차이나 각 모듈에 전달되는 전력량 때문일 수 있습니다.

열전 모듈의 표면은 주변 공기보다 항상 몇 도 더 차가웠기 때문에, 배터리 홀더가 모듈과 접촉하지 않도록 하는 것이 정확한 온도 관리를 위해 중요했습니다. 배터리 홀더 정렬 가이드를 사용하면 홀더와 모듈 간 접촉 가능성이 줄어들었습니다.

그림 4: 시간에 따른 온도 변화. (A) 건설 직후 초기 온도 분포는 24시간 동안 10초마다 측정했을 때 ± 0.13 °C 정도의 변동을 보입니다. (B) 7개월 사용 후 1주일 동안 10초마다 온도 분포를 측정하여 0.75 °C 변동± 나타났습니다. 이 데이터 획득과 가우시안 스무딩에 대한 자세한 내용은 보충 파일 2에서 제공된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

온도 모니터링:
평균 온도 변화는 7개월 사용 후 168시간 동안 10초마다 측정되었으며, 그림 4에서 그 기간 동안 안정적임을 확인할 수 있습니다. 그림 4B 에서 데이터가 블록 형태인 것은 온도의 빠른 진동 때문일 가능성이 큽니다. 필요하다면 더 정교한 제어 방법을 사용해 이러한 진동을 줄일 수 있습니다. 평균 기온은 처음에 그림 4A에서 ± 0.13 °C 변동했으나, 7개월 동안 상승하여 그림 4B에서 ± 0.75 °C까지 상승했습니다. 이것은 시간이 지날수록 챔버가 더 불안정해진다는 신호일 수도 있지만, 실험실 주변 온도가 상승하는 등 다른 요인 때문일 수도 있습니다. 그럼에도 불구하고, 온도의 안정성은 시간이 지남에 따라 상당히 중요하며, 이 온도 조절 수준은 대부분의 저온 배터리 조사에 일반적으로 충분합니다. 챔버 내부 온도의 특성에 대한 추가 세부 사항은 보충 파일 2에 제공되어 있습니다.

그림 5: 100 사이클에 따른 배터리 용량 변화. (A) 순환 욕조 시스템을 이용한 온도 조절 데이터 사이클링. 배터리 응축으로 인한 온도 변화와 부식 문제로 인해 용량에 큰 변동이 관찰되었습니다. (B) 이 논문에서 제시한 맞춤형 저온 챔버를 사용한 사이클링 데이터, 노이즈가 크게 줄어드는 경우. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

전기화학적 사이클링 데이터:
배터리 테스트 중 챔버의 온도 유지 성능을 시험하기 위해, 상업적으로 사용 가능한 4개의 2032 리튬이온 코인 셀 배터리에 대해 갈바노스태틱 사이클링 테스트가 수행되었습니다. 이 동전 셀들은 0 ± 1 °C에서 C/7 C율로 100회 사이클링되었으며, 총 소요 시간은 ~3개월이었습니다. 결과는 그림 5B에 나와 있습니다. 이 데이터는 이전 세대의 온도실과 비교되는데, 이전 세대는 스티로폼 절연 알루미늄 챔버와 부동액이 포함된 순환 욕조를 사용했습니다. 순환 욕조 방법은 그림 5A에서 관찰된 것처럼 측정된 셀 용량에 큰 편차를 초래했고, 반복 사이클링 시 배터리 셀의 부식을 초래했습니다. 여기 보고된 새로운 챔버 설계는 측정된 셀 용량이 크게 향상되었음을 보여주며, 온도 안정성 향상, 셀 부식 감소, 데이터 내 노이즈 감소가 강조됩니다.

챔버의 적절한 작동은 온도 변동이 거의 없는 일정한 온도와 불규칙한 전압, 셀 용량의 갑작스러운 증가 및 감소 같은 설명 불가능하거나 갑작스러운 변화가 없는 전기화학적 데이터로 표시됩니다. 챔버가 처음 조립되어 가동이 시작된 후, 냉장고 설정을 조정해야 열 방출을 최적화할 수 있도록 24시간에서 최대 며칠간 온도를 기록하는 것이 좋습니다.

보충 파일 1: 3D 프린팅용 STL 파일. 파일에는 Gasket Jig.stl, Heat Sink Clamp.stl, On-Off Mount.stl, 프로토보드 Mount.stl, Wire to Alligator Converter.stl, Wiring Station Bottom.stl, Wiring Station Top.stl, Chamber.stl, Chamber Lid.stl 파일 등이 포함됩니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭해 주세요.

보조 파일 2: 인쇄 지침 및 온도 특성화. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭해 주세요.

보충 파일 3: STL 파일을 3D 프린팅하여 주요 뚜껑과 뚜껑 홀더를 출력합니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭해 주세요.

토론

중요한 단계:
프로토콜에는 냉장실의 올바른 성능을 보장하기 위해 중요한 여러 단계가 있습니다. 회로가 제대로 작동하고 정확한 데이터 수집을 위해 필요한 전선 연결에 주의해야 합니다. 배선 연결 결함은 불규칙한 전압 측정을 초래할 수 있으나, 동전 전지를 챔버에 넣기 전에 전압계를 사용해 배선 연결을 테스트하면 이를 피할 수 있습니다.

공기 누출은 피해야 하며, 이는 추가 수분이 챔버에 유입되어 셀에 응결되어 부식을 일으킬 수 있습니다. 뚜껑과 기타 구멍의 정밀 가공과 가스켓 재료 및 그리스로 신중하게 밀봉하는 것이 챔버의 장기적인 신뢰성과 성능을 보장하는 데 도움이 됩니다. 챔버가 밀폐되지 않으면 셀에 응축이 생기면 부식이 발생할 수 있으며, 이는 셀 용량이 갑작스럽게 증가하거나 감소하는 등 불규칙한 성능 상태를 나타내며, 셀 홀더에서 셀을 분리하면 누출되거나 변색된 것처럼 보일 수 있습니다.

마지막으로, 데이터 로깅에 사용되는 열전대가 챔버에 밀봉되기 전에 정확히 보정되고 적절한 위치에 배치되어 있는지 확인하는 것이 챔버의 온도 성능을 신뢰성 있게 기록하는 데 중요합니다.

수정 사항:
이 온도 챔버는 0 °C에서 2032개의 동전 전지 실험을 위해 특별히 설계되었지만, 유사한 환경 요구사항을 가진 다양한 실험에 맞게 수정 및 최적화가 가능합니다. 2032 셀용 동전 셀 홀더는 다른 코인 셀용 홀더로 쉽게 교체할 수 있습니다. 원통형, 파우치 등 다양한 배터리 형상도 배터리 홀더를 변경하면 수용할 수 있지만, 챔버 크기를 늘려야 할 수도 있습니다. 챔버는 열전 모듈의 전력을 12V 이상으로 증가시켜 더 낮은 온도에 도달할 수 있을 것입니다. 이 설계에 사용된 열전 모듈은 -40°C까지 냉각을 제공할 수 있도록 등급이 되어 있습니다. 하지만 열 방출 개선과 함께 실내 온도 구배를 평가하고 이 낮은 온도에서 모든 부품의 적절한 작동을 보장하기 위한 시험이 필요합니다. 인쇄 회로 기판을 사용해 데이터를 기록하고 열전 모듈을 제어하여 두 개의 열전대가 필요 없게 되었습니다. 마지막으로, 챔버가 주로 습도 조절에 사용되고 정확한 온도 조절이 중요하지 않은 경우, 뚜껑과 챔버 설계는 열전 모듈, 제어 시스템, 열 방출 부품 없이 사용할 수 있습니다.

문제 해결:
단순한 설계 덕분에 대부분의 잠재적 문제는 비교적 쉽게 해결할 수 있습니다. 배터리 부식은 공기 누출을 시사하는 것으로 보이며, 모든 구멍을 밀봉하는 것이 첫 번째 조치입니다. 소음이 많은 배터리 사이클링 데이터는 배선 문제나 배터리 홀더와의 접촉 불량을 나타내며, 연결을 개선하면 해결할 수 있습니다. 또한 셀에 결로가 형성되어 부식이 발생할 수 있다는 신호일 수 있으므로, 시스템이 밀폐되어 있는지 점검해야 합니다. 원하는 온도를 달성하지 못하는 것은 부적절한 열 그리스 적용, 열전 모듈의 범위 밖에서 원하는 온도를 얻으려는 시도, 모듈에 공급되는 전류와 전압 부족, 또는 효과적인 열 방출 등 여러 요인 때문일 수 있습니다.

제한 사항:
이 챔버 설계의 주요 한계는 네 개의 배터리를 모두 빼내야 하는 점입니다. 이로 인해 네 개의 배터리가 모두 다른 환경에 노출되고, 그 중 하나라도 분리해야 합니다. 이 문제는 현재 설계로는 완화하기 어렵습니다. 또 다른 제한은 열전 모듈에 전력이 끊기면 실내 온도가 빠르게 상승한다는 점입니다. 따라서 모듈에 전력이 손실되지 않도록 하는 것이 매우 중요합니다. 정전 문제가 걱정된다면 원치 않는 온도 변화를 방지하기 위해 무정전 전원 공급 장치나 백업 발전기를 사용하는 것이 도움이 될 수 있습니다.

중요성:
배터리는 저온에서 성능이 크게 저하되어 이 문제에 대한 새로운 연구가 점점 더 중요해지고 있습니다. 이 온도 챔버 설계는 2032 코인 셀 배터리를 저온에서 사이클링하면서 응축과 부식을 제한하도록 특별히 제작되었습니다. 또 다른 주요 목표는 비용 효율적이고 조립이 용이한 설계를 만드는 것이었습니다. 이 설계에 대한 특수 제작된 상업용 대안은 일반적으로 비용이 많이 들며, 표준 냉장고를 사용하는 저비용 옵션은 결로를 완전히 막지 못하고 온도 변화가 증가할 수 있습니다 ^2,3,14. 따라서 이 설계는 연구 예산을 부담 없이 저온 배터리 사이클링 연구를 수행하고자 하는 연구자들에게 저렴하고 빠르게 구현할 수 있는 선택지가 될 수 있습니다.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
1/4"-20 x 1" 캡 나사	그레인저	4XE35	필요 9; 열 싱크용 8개, 뚜껑용 1개
12 V 팬	디지키	2223-CFM-9225C-130-356-ND	필요 2; 히트 싱크로 공기를 순환시키는 데 사용됩니다
AC 대 12V 10A 커넥터	디지키	AD-EL-1201200-Z	벽 전원을 변환하고 nbsp;
아세탈 수지	맥마스터	8575K148	1.5" x 6" x 6" 스톡
배터리 홀더	디지키	36-1086-ND	필요 4; 2 추가
배터리 배선 슬라이더	해당 없음	해당 없음	PLA에서 3D 프린팅
데이터로깅 열전쌍	엑스텍	872501-S	선호하는 열전쌍을 대체할 수 있습니다
전자 개발 위원회	아다프루트	3000	보충 파일 2 참조
전자 테렙처 기록 시스템	아두이노	A000066	보충 파일 2 참조
냉장고	매직 셰프	MCR170BE	일반 냉장고로 대체할 수 있습니다
개스킷 지그	해당 없음	해당 없음	PLA에서 3D 프린팅
가스켓 재료	맥마스터-카		5542N125
히트 싱크	디지키	345-127709-ND	필요 1; 히트 싱크 2개로 잘라내세요
히트 싱크 클램프	해당 없음	해당 없음	PLA에서 3D 프린팅
즉석 접착제	록타이트	234790	슈퍼 글루로도 알려져 있습니다
뚜껑 홀더	해당 없음	해당 없음	PLA에서 3D 프린팅
긴 지퍼 타이	디지키	2162-AL-14-50-0-C-ND	100개 팩, 4개 이하 필요
남녀 크림프 세트	마우스	474-PRT-10501	8개가 필요하고, 예비 부품도 4개를 구해야 합니다
켜/끄기 컨트롤러	아마존	7.38587E+11	2인제 팩
전원 공급 장치 2선 커넥터	디지키	CP-024A-ND	필요 1
프로토보드	아다프루트	1609	필요 1
프로토보드 마운트	해당 없음	해당 없음	PLA에서 3D 프린팅
짧은 지퍼 타이	사우스와이어	BL4M2-C	100개 팩
실리카 젤	맥마스터	2189K14	추가 수분을 흡수하는 데 사용됩니다
실리콘	록타이트	908570	필요한 것은 거의 없습니다
스페이드 커넥터	맥마스터	7060K79	8개가 필요하고, 예비 부품을 구해야 합니다
22 AWG 전선 연선	아다프루트	3175	선호하는 배선을 대체할 수 있습니다
스위치 마운트	해당 없음	해당 없음	PLA에서 3D 프린팅
임시 뚜껑	해당 없음	해당 없음	PLA에서 3D 프린팅
열그리스	웨이크필드	120-5	필요한 것은 거의 없습니다
열전 모듈	디지키	102-1682-ND	필요 2; 제조사 제품 #: CP85438
온도계	엑스텍	EA15	선호하는 온도계를 대체할 수 있습니다
진공 그리스	듀폰	2708493	필요한 것은 거의 없습니다
와이어 to 앨리게이터 변환기	해당 없음	해당 없음	PLA에서 3D 프린팅
배선 스테이션 바텀	해당 없음	해당 없음	PLA에서 3D 프린팅
배선 스테이션 상단	해당 없음	해당 없음	PLA에서 3D 프린팅