저온 오페란도 실험을 위한 동전 전지 배터리 챔버 설계

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 고성능 배터리를 개발하는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다. 추운 날씨 환경에서 배터리 성능이 자주 저하되므로, 저온 배터리 연구에 집중하는 연구가 더 필요합니다.

하지만 시중에서 시급한 저온 배터리 사이클링 장비는 비용이 많이 들기 때문에, 비주변 실험에 집중하지 않는 연구기관에서는 이러한 연구를 수행하기 어렵습니다. 여기서는 조립이 쉽고 구현이 빠른 간단하고 비용 효율적인 온도 챔버 설계를 보고하며, 이를 통해 더 많은 저온 배터리 연구가 가능해졌습니다. 이 설계는 4개의 2032 코인 셀을 저습도 환경에서 신뢰할 수 있는 온도로 유지하여 부식과 결로 문제를 줄입니다.

이 프로토콜에서는 챔버 제조의 주요 단계를 다 살펴보고 사용법을 시연할 것입니다. 추가 지침은 전체 텍스트에 제공되어 있습니다. 먼저, PLA를 사용해 챔버와 챔버 뚜껑 파일을 제외한 모든 보조 STL 파일을 3D 프린팅합니다.

둘째, 아세톨 수지 블록을 제공된 크기로 밀링합니다. 우리는 CNC나 수동 밀링 머신을 사용해 메인 챔버와 뚜껑을 만들며, 챔버와 챔버 뚜껑 보조 파일을 보여줍니다. 또한 히트 싱크를 크기에 맞게 자르고 구멍 레이아웃 파일에 따라 관통 구멍을 뚫으세요.

이제 기계 작업장이 필요한 모든 부품을 갖추게 될 것입니다. 네 개의 배터리 홀더를 배터리 배선 슬라이더와 뚜껑 사이로 밀어 넣으세요. 각 배터리 홀더 탭이 켜져 있는지 확인하세요.

그림 2에 나오는 모든 배선을 열전 모듈과 12볼트 팬을 제외한 모든 배선을 연결하세요. 이 부분들은 나중에 연결될 예정입니다. 12볼트와 접지선을 전원 공급 장치에 2선 커넥터로 납땜하세요.

먼저 절단 도구와 개스킷 지그를 사용해 개스킷 재료를 절단하여 두 개의 개스킷을 만듭니다. 가볍게 압력을 가해 지그 아래에서 가스켓을 빼내거나 너무 많이 자르지 않도록 하세요. 가스켓을 메인 챔버의 측면 포켓 중 하나에 넣어 포켓 안에서 평평하게 만듭니다.

열전 모듈 전선을 메인 챔버의 측면 구멍을 통과시키고, 번호가 매겨진 냉동 쪽이 챔버 안을 향하게 하세요. 열전(비번호) 핫 사이드에 얇지만 완전한 열 그리스 층을 바릅니다. 열전 모듈 외부 챔버에 얇은 실리콘 링을 적용합니다.

메인 챔버 위에 조심스럽게 히트 싱크를 놓으세요. 실리콘을 압축하기 위해 히트 싱크를 메인 챔버에 나사로 고정하세요. 이렇게 하면 밀폐 밀봉이 형성됩니다.

과잉 실리콘은 제거하세요. 양쪽 모두 반복하세요. 뚜껑과 열전대를 챔버에 넣은 후, 히트싱크 양쪽에 12볼트 팬 두 개를 배치하세요.

히트 싱크에 바람을 불어넣도록 방향을 맞추세요. 긴 지퍼 타이 세 개를 사용해 팬을 단단히 고정하세요. 스위치 마운트와 프로토보드 마운트를 히트 싱크 클램프 출력물에 인스턴트 글루로 붙이세요.

마운트를 히트 싱크 상단 줄에 밀어 넣으세요. 프로토보드, 온-오프 스위치, 컨트롤러, 절연 재료를 마운트 위의 각각 위치에 배치하세요. 전선을 정리한 후, 열전 모듈과 12볼트 팬의 연결을 납땜하세요.

이제 이 기관실은 완전히 조립되었습니다. 챔버를 적절한 온도로 냉각하려면 수동 온-오프 스위치로 열전 모듈을 끄세요. 컨트롤러를 쿨링 모드로 설정하세요.

원하는 온도를 0도, 꺼짐 차를 0.1도로 설정하세요. 온도 범위를 섭씨 영하 55도에서 24도로 설정하여 극심한 과열이나 과냉각을 방지하세요. 데이터 로깅 열전대를 온도계에 연결하고 챔버를 냉장고에 넣은 후, 다시 켜고 끄는 스위치를 켜세요.

이제 챔버는 사용 준비가 완료되었습니다. 챔버를 열어 배터리를 추가하거나 빼려면, 뚜껑 볼트 아래쪽에 드라이버를 대세요. 바깥쪽 가장자리를 받침대로 삼아 드라이버 손잡이를 눌러라.

뚜껑이 느슨해지면 손으로 빼서 평평한 표면이나 제공된 3D 프린팅 뚜껑 홀더에 놓고 임시 뚜껑으로 교체하세요. 교체하려는 배터리 홀더를 열고 코인 셀을 홀더 안에 넣으세요. 임시 뚜껑을 제거한 후 챔버 안의 실리카 젤 봉지를 제거하세요.

수분은 천으로 닦아내고, 실리카 젤 봉지를 챔버에 넣어 추가 습기를 흡수하는 데 도움이 됩니다. 메인 뚜껑을 교체하세요. 챔버 내부 온도가 다시 평형화되는 데 최대 2시간이 걸릴 수 있습니다.

0도 섭씨의 일정한 온도를 유지하는 챔버의 신뢰성을 평가하기 위해 세 가지 방법으로 성능을 시험했습니다. 먼저, 자동 온도 데이터 로거를 사용해 챔버 전체의 온도 구배를 측정했습니다. 챔버 전체의 온도 변화는 일정했으며 변동은 4도에 불과했다.

둘째, 새로 조립된 챔버의 온도 안정성을 하루 동안 모니터링했으며, 온도 변화는 13도 섭씨를 유지했다. 장기 성능을 테스트하기 위해 7개월간 사용 후 일주일간 측정을 실시했으며, 온도 변화가 75도 정도로 약간 줄어들었습니다. 마지막으로, 4개의 리튬이온 2032 코인 셀이 3개월 동안 100회 순환되었습니다.

사이클링 데이터는 이 실험 기간 동안 일관된 성능과 낮은 잡음을 보여줍니다. 이 결과는 챔버가 일정한 온도를 유지할 수 있음을 보여주며, 저온 전기화학 사이클링 실험을 신뢰성 있게 수행할 수 있게 합니다. 우리는 2032 코인 셀을 저습도 환경에서 비용 효율적인 저온 배터리 사이클링을 가능하게 하는 간단한 설계를 소개했습니다.

성능 테스트는 이 장치가 온도 변화가 1도 미만으로 장기적으로 신뢰할 수 있는 성능을 보임을 보여주었습니다.