Projektowanie komory baterii na ogniwo monetowe do eksperymentów operando w niskiej temperaturze

Podsumowanie

Przedstawiono projekt umożliwiający opłacalne, niskotemperaturowe cykliczne cyklowanie baterii dla ogniw monetowych 2032 w środowisku o niskiej wilgotności. Ogniwa są rotowane w temperaturze 0 °C wewnątrz komory chłodzonej przez moduły termoelektryczne. Ten prosty projekt można dostosować do eksperymentów wymagających podobnych warunków termicznych i kontrolowanych wilgotnością lub różnych geometrii baterii.

Streszczenie

W miarę jak coraz bardziej polegamy na akumulatorach ładowalnych zasilających nasze urządzenia, coraz ważniejsze staje się zrozumienie spadków pojemności i wydajności, które występują w warunkach chłodnych pogod. Badania skoncentrowane na wydajności cyklu baterii w niskich temperaturach są niezbędne do ukierunkowania projektowania i optymalizacji zaawansowanych baterii. Jednak komercyjnie dostępne urządzenia do cyklowania baterii niskotemperaturowych są zazwyczaj drogie, co uniemożliwia prowadzenie badań nad cyklami niskotemperaturowymi w wielu placówkach. Poniżej przedstawiono prosty, opłacalny projekt komory temperaturowej, który łatwo szybko zmontować i wdrożyć. Ta konstrukcja umożliwia niezawodną kontrolę temperatury dla czterech ogniw monetowych 2032 w warunkach o niskiej wilgotności, co zmniejsza ryzyko korozji i kondensacji. Dane cykliczne elektrochemiczne wykazują ewolucję pojemności ogniwa w temperaturze T = 0 ± 1 °C przez 100 cykli z prędkością C C/7. Temperaturę można obniżyć do -5 °C w obecnym projekcie, a drobne modyfikacje pozwoliłyby na jeszcze niższe temperatury. Ponadto ten projekt można łatwo dostosować do innych typów baterii lub zwiększyć liczbę mierzonych próbek.

Wprowadzenie

W miarę jak świat staje się coraz bardziej elektryfikowany, baterie odgrywają kluczową rolę w zasilaniu naszych urządzeń. Od zasilania naszych pojazdów elektrycznych po magazynowanie energii dla odnawialnych źródeł energii na poziomie sieci, coraz ważniejsze staje się rozwijanie baterii o wysokiej wydajności w szerokim zakresie klimatu ^1,2. Wydajność baterii jest często obniżona w warunkach chłodnych, co wymaga większych badań skoncentrowanych na badaniach baterii w niskich temperaturach ^3,4. Jednak komercyjnie dostępne urządzenia do cyklowania baterii niskotemperaturowych są zazwyczaj kosztowne, co uniemożliwia przeprowadzanie tych badań w placówkach badawczych, które zazwyczaj nie koncentrują się na eksperymentach nieotaczających.

Wiele zastosowań akumulatorowych wymaga jedynie zrozumienia zachowania niskich temperatur przy umiarkowanych temperaturach zbliżających się do 0 °C lub nieco poniżej⁵. Pomimo tego ograniczonego zakresu temperatur, baterie nadal wykazują znaczące spadki całkowitej pojemności, wydajności i charakterystyki ładowania przy niskich temperaturach ^6,7. Na przykład komercyjne baterie Li-ion utrzymują jedynie 10% swojej wydajności w temperaturze pokojowej przy −40 °C ^8,9. Wszystkie elementy ogniwa, w tym katoda, anoda i elektrolit, mają udokumentowane efekty w temperaturach nieotoczających ^6,7,10. Ten problem staje się coraz ważniejszy ze względu na pojawienie się pojazdów elektrycznych i utrudnia korzystanie z akumulatorów ładowalnych w krajach o mroźnych zimach^11,12. Wydajność baterii w warunkach zimnych można zoptymalizować tylko wtedy, gdy zwiększymy wiedzę o złożonych procesach zachodzących w niskich temperaturach.

Baterie na komórki monetowe są powszechnie używane do zasilania małych przenośnych urządzeń elektronicznych ze względu na ich kompaktową konstrukcję. Często stosuje się je także w laboratoriach badawczych do testowania nowych chemii baterii oraz ogólnej wydajności urządzeń. Ogniwa monetowe są łatwe w montażu i tanie, co pozwala naukowcom szybko testować nowe prototypy przed przejściem do większych, bardziej złożonych i droższych pakietów baterii. Ich niewielkie rozmiary pozwalają również łatwo mieszczyć się w urządzeniach do pobierania próbek w niskich temperaturach, co pozwala na prawdziwe badania operando i in situ . Dlatego ogniwa monetowe są doskonałym wyborem do badań baterii zależnych od temperatury, a istnieje wyraźna potrzeba przystępnej cenowo komory niskotemperaturowej (≈ 0 °C) zaprojektowanej specjalnie do testów baterii nie-otoczonych¹³. Lodówki komercyjne domowe mogą łatwo zapewnić niskie temperatury potrzebne do tych eksperymentów, ale brak regulacji wilgotności powoduje problemy z korozją i utrudnia dokładność pomiarów. Specjalistyczny sprzęt komercyjny jest zwykle przystosowany do dużych laboratoriów badań nad bateriami, często mierząc dziesiątki lub setki baterii jednocześnie. Ten sprzęt jest drogi i może być zbyt kosztowny dla laboratoriów badawczych o mniejszym budżecie.

Przedstawiamy tutaj prostą, opłacalną konstrukcję komory niskotemperaturowej, która jest łatwa w montażu i szybka w realizacji, umożliwiająca prowadzenie większej liczby badań nad bateriami niskotemperaturowymi. Ta konstrukcja umożliwia niezawodną kontrolę temperatury dla czterech ogniw monetowych 2032 w warunkach niskiej wilgotności, co ogranicza problemy z korozją i kondensacją. Stanowi opłacalną alternatywę dla komercyjnego sprzętu do kontroli temperatury, którą można wdrożyć w małych laboratoriach badawczych. Prosty projekt można łatwo złożyć w mniej niż tydzień, przy minimalnym obróbce, łatwo dostępnych częściach z półki oraz niektórych niestandardowych części, które można wykonać na drukarce 3D z wykorzystaniem dostarczonych plików. Całkowity koszt wynosi około 870 USD, ale biorąc pod uwagę, że wiele z tych materiałów jest powszechnie dostępnych i może już być obecnych w laboratoriach badawczych, całkowity koszt produkcji tego urządzenia może być znacznie niższy. Dostępny jest szczegółowy przewodnik po tym, jak złożyć system.

Skuteczność tego projektu została wykazana poprzez cyklowanie galwanostatyczne operanda w warunkach nieotoczających (0 °C) i jest zademonstrowana jako odpowiednia do długotrwałych cykli przez kilka miesięcy. Pokazano również wydajność kontroli temperatury oraz trójwymiarowe przedstawienie rozkładu temperatury w komorze. Chociaż wyniki nie są tutaj przedstawione, komora może być również wykorzystywana do dodatkowych eksperymentów elektrochemicznych operandowych, w tym cyklicznej voltametrii i spektroskopii impedancji elektrycznej. Omawiane są modyfikacje tego projektu umożliwiające szerszy zakres pomiarów operandowych oraz możliwość rozszerzenia zakresu temperatur komory.

Główne cele tej komory temperaturowej to niezawodna kontrola temperatury przy jednoczesnym ograniczeniu kondensacji, co pozwala na cyklowanie czterech ogniw 2032 w tych warunkach. Główne chłodzenie uzyskuje się przy użyciu komercyjnej mini-lodówki, ale wahania temperatury mogą być niewiarygodne w celach eksperymentalnych. Dlatego ta konstrukcja wykorzystuje sterownik on/off, który steruje dwoma modułami termoelektrycznymi, aby dodatkowo regulować małą, szczelną komorę wykonaną z żywicy octowej. Radiatory i wentylatory odprowadzają ciepło, co pozwala modułom termoelektrycznym utrzymywać niewielką różnicę temperatur. Przejścia umieszczone na pokrywie pozwalają na przejście ośmiu przewodów, co umożliwia cykliczne przełączanie baterii. Schematyczne przedstawienie przekroju wzoru przedstawiono na Rysunku 1A.

Rysunek 1: Komora temperaturowa. (A) Ilustracja komory niskotemperaturowej z oznaczonymi komponentami. (B) Komora temperaturowa w formie montażu. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

Protokół

1. Produkcja komory

1. Komponenty do druku 3D
   1. Wydrukuj 3D wszystkie pliki STL w Pliku Uzupełniającym 1 (Gasket Jig.stl, Heat Sink Clamp.stl, On-Off Mount.stl, Protoboard Mount.stl, Wire to Alligator Converter.stl, Wiring Station Bottom.stl oraz Wiring Station Top.stl), z wyjątkiem plików Chamber.stl i Chamber Lid.stl, używając kwasu polimlekowego (PLA).
      UWAGA: Instrukcje druku są częścią Pliku Uzupełniającego 2. W pierwszej części tego protokołu części z Tabeli Materiałów będą pisane kursywą, a części wydrukowane w 3D będą miały swoje rozszerzenie (.stl).
2. Frezowanie głównej komory, pokrywy i radiatorów
   1. Przetkaj blok z żywicy acetalowej na bloki magazynowe o wymiarach 4" × 3,5" × 1,5" i 1,45" × 1,45" × 1,125".
      UWAGA: Obróbka może być niebezpieczna i prowadzić do obrażeń ciała. Etapy związane z obróbką w trakcie tego protokołu powinny być wykonywane wyłącznie przez wykwalifikowanych specjalistów.
   2. Użyj komputerowej sterowanej maszyny numerycznej (CNC) lub ręcznej frezarki do stworzenia głównej komory i pokrywy, jak pokazano w plikach Chamber.stl i Chamber Lid.stl w Pliku Uzupełniającym 1.
      UWAGA: Pokrywka powinna być obrabiana, aby zapewnić szczelne dopasowanie. Można dodać uszczelkę o-ring, aby uzyskać lepsze uszczelnienie.
   3. Pociąłem radiator na dwa profile o wymiarach 4" na 3,5".
   4. Wywierć otwory zgodnie z plikiem Hole Layout.pdf w Pliku Uzupełniającym 1.
   5. Wywierć otwory w żeberkach radiatora, aby zrobić miejsce na główki śrub zakrętowych.
   6. Wkręć śrubę 1/4"-20 x 1" w górę pokrywy. Ten zamek ułatwia zdjęcie pokrywy z komory.
   7. Przesuń cztery uchwyty na baterie przez suwak okablowania baterii, a następnie przez pokrywę. Upewnij się, że każda z zakładek uchwytu na baterie jest ustawiona w pozycji ON.
   8. Dodaj silikon do wszystkich otworów na drut prowadzących do pokrywy i pozwól zastygnąć.
      UWAGA: Wszelkie odpady chemiczne powstałe podczas tego procesu powinny być utylizowane zgodnie z wytycznymi producentów oraz kartami bezpieczeństwa materiałów.
3. Montaż elektroniki
   UWAGA: Zagrożenia elektryczne. Wszystkie prace elektryczne powinny być wykonywane przez wykwalifikowanego specjalistę.
   1. Połącz wszystkie przewody widoczne na Rysunku 2 oprócz modułów termoelektrycznych i wentylatorów 12 V. Te połączenia zostaną połączone później.
   2. Przylutuj przewody 12 V i uziemienie do zasilacza do dwuprzewodowego złącza.
      UWAGA: Zagrożenia lutowania obejmują urazy termiczne oraz ryzyko wdychania. Prace powinny być wykonywane wyłącznie przez wykwalifikowanego specjalistę w dobrze wentylowanym pomieszczeniu.
4. Montaż komory
   1. Uszczelki tworząc, najpierw wycinając materiał uszczelki narzędziem tnącym oraz szablonem Gasket Jig.stl (Plik Uzupełniający 1), aby zrobić dwie uszczelki. Delikatnie naciskaj, aby nie wyciągnąć uszczelki spod przyrządu i nie przeciąć zbyt mocno.
   2. Umieść uszczelkę w jednej z bocznych kieszeni głównej komory, tak aby była płaska w kieszeni.
   3. Przeprowadzić przewody modułu termoelektrycznego przez boczne otwory w głównej komorze tak, że numerowana (zimna) strona modułów termoelektrycznych skierowana jest do komory.
   4. Nałóż cienką, ale kompletną warstwę smaru termicznego na stronę termoelektryczną, nienumerowaną (gorącą).
   5. Nałóż cienki pierścień silikonu na komorę na zewnątrz modułu termoelektrycznego.
   6. Ostrożnie umieść radiator na głównej komorze. Wkręć korek 1/4"-20 x 1" Wkręć w radiatory do głównej komory, aby wycisnąć silikon. To utworzy szczelne uszczelnienie. Usuń nadmiar silikonu.
   7. Powtarzaj po obu stronach. Poczekaj, aż silikon się zwięźnie.
   8. Posmaruj dolną część pokrywy komory cienką warstwą smaru próżniowego i wsuń ją do komory.
   9. Włóż termoparę do rejestrowania danych oraz termoparę kontrolera ON/OFF do odpowiednich otworów w bokach komory.
   10. Dodaj silikon do wszystkich otworów na drut wchodzących do komory i pozwól zastygnąć.
   11. Umieść dwa wentylatory 12 V po obu stronach radiatorów, ustawione tak, aby dmuchały do nich. Użyj trzech długich opasek zaciskowych, aby dokręcić wentylatory, jak pokazano na Rysunku 1B.
5. Montaż mocowań i okablowania
   1. Przyklej Switch Mount.stl i protoboard mount.stl w pliku uzupełniającym 1 do wydruków Heat Sink Clamp za pomocą kleju Instant Glue.
      UWAGA: Zagrożenie chemiczne. Używaj wszystkich chemikaliów zgodnie z zaleceniami producenta.
   2. Przesuń mocowania na górny rząd radiatorów. Umieść Protoboard, przełącznik ON/OFF, kontroler oraz materiał izolacyjny na odpowiednich pozycjach na mocowaniach. Upewnij się, że przełącznik ON/OFF jest trzymany w pozycji montażowej za pomocą taśmy dwustronnej. Użyj kawałka pleksi lub innego izolującego materiału i wsuń go do montażu Protoboard nad protoboardem, aby zapobiec przypadkowemu zwarciu.
   3. Używając zestawu zacisków męskich/samicy, zacisnij złącza męskie na przewody każdego uchwytu baterii. Użyj przewodów i złączek o grubości 22 AWG, aby podłączyć przewody tam, gdzie są potrzebne. Zaleca się stosowanie szczypiec z igłowatym nosem do przytrzymania męskiej strony podczas rozdzielania tych złączy, aby zapobiec nadmiernemu obciążeniu samych przewodów.
   4. Użyj wydruków 3D stacji Wiring Station Below and Top.stl (plik uzupełniający 1), aby uporządkować przewody.
   5. Użyj złączek Spade i druku 3D Wire to Alligator Converter.stl (plik uzupełniający 1), aby umożliwić połączenie z ogniwami w stylu aligatora.
6. Montaż końcowy
   1. Po uporządkowaniu przewodów lutuj połączenia do modułów termoelektrycznych i wentylatorów 12 V. Komora jest już w pełni złożona.

Rysunek 2: Schemat obwodu elektrycznego dla obwodu sterującego systemem chłodzenia komory. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

2. Korzystanie z komory

1. Sterowanie komorą
   1. Aby schłodzić komorę do odpowiedniej temperatury, wyłącz moduły termoelektryczne ręcznym przełącznikiem ON/OFF. Podłącz do zasilacza.
   2. Ustaw kontroler w trybie chłodzenia. Ustaw pożądaną temperaturę na 0 °C, a różnicę włączania na 0,1 °C. Ustaw zakres temperatur od -55 °C do 24°C, aby zapobiec ekstremalnemu przegrzewaniu lub przechłodzeniu w wyjątkowych przypadkach.
      UWAGA: Ustaw temperaturę w lodówce tak, aby była nieco wyższa (~2 °C) niż pożądana. Temperatura lodówki powinna być wyższa niż pożądana dla sterownika ON/OFF, aby utrzymać pożądaną temperaturę, ale nie może być zbyt wysoka, bo moduły termoelektryczne nie będą w stanie osiągnąć pożądanej temperatury.
2. Temperatura rejestrowania
   1. Podłącz termoparę do zapisu danych do termometru i umieść komorę w lodówce.
   2. Ustaw termometr tak, żeby działał nieprzerwanie i zapisuj temperaturę co kilka sekund przez 24 godziny.
      UWAGA: Jeśli praca działa prawidłowo, temperatura w komorze nie powinna wahać się więcej niż ± 1 °C.
   3. Gdy będziesz gotowy do chłodzenia, włącz ręczny przełącznik ON/OFF. Komora jest już gotowa do użycia.
3. Otwarcie komory i dodanie baterii
   UWAGA: Jeśli baterie są aktywnie mierzone, należy szybko wymieniać próbki, aby zapobiec dużym zmianom temperatury i zmniejszyć kondensację na bateriach. Podczas pracy nad główną pokrywą tymczasowa pokrywa może być wydrukowana w 3D, aby zastąpić główną pokrywę podczas zmian próbki, korzystając z Temp Lid.stl zawartego w Pliku Uzupełniającym 3.
   1. Aby otworzyć komorę i dodać lub wyjąć baterie, umieść śrubokręt pod spodem śruby pokrywy. Używając zewnętrznej krawędzi jako punktu podparcia, naciśnij w dół na rękojeść śrubokręta. Gdy pokrywka jest poluzowana, wyjmij ją ręcznie i połóż na płaskiej powierzchni lub użyj List Holder.stl zawartego w Pliku Uzupełniającym 3 , aby wydrukować uchwyt na wieko w 3D. Wymień pokrywę komory na tymczasową.
   2. Otwórz uchwyty na baterie do wymiany i umieść ogniwo monetowe wewnątrz uchwytu.
   3. Zdejmij tymczasową pokrywkę, a następnie zestaw żelu krzemionkowego wewnątrz komory. Usuń wilgoć szmatką i odłóż do komory opakowanie żelu krzemionkowego, aby pomóc wchłonąć dodatkową wilgoć.
   4. Zmień główną pokrywę i włóż komorę z powrotem do lodówki.
      UWAGA: Temperatura może potrzebować nawet do 2 godzin, aby ponownie się wyrównała wewnątrz komory.
4. Rower operando w niskiej temperaturze
   1. Przeprowadz eksperymenty cykliczne po osiągnięciu pożądanej temperatury.
   2. Kontynuuj rejestrowanie temperatury, aby upewnić się, że komora utrzymuje pożądaną temperaturę.

Wyniki

Wydajność komory testowano na trzy sposoby: (1) pomiar gradientów temperatur w komorze, (2) monitorowanie temperatury przez 24 godziny od początkowej budowy i 168 godzin po 7 miesiącach użytkowania, oraz (3) zbieranie danych cyklicznych dla ogniw monetowych w bateriach litowo-jonowych w ciągu 100 cykli lub ~3 miesięcy. Wyniki te, omówione poniżej, pokazują, że komora jest w stanie utrzymać stałą temperaturę przez kilka miesięcy przy średniej wahaniu temperatury poniżej 0,75 °C, co skutkuje stałymi danymi cyklicznymi elektrochemicznymi.

Rysunek 3: Trójwymiarowa zależność komory zimnej od temperatury. Płaszczyzna YZ to ta przedstawiona na Rysunku 1. Zbudowano niestandardowy, dwuosiowy rejestrator temperatury, który można było używać wewnątrz mini-lodówki. Każdy punkt danych reprezentuje unikalny pomiar temperatury, co skutkuje ogólną zmianą temperatury w komorze ± 0,4 °C. Dalszy opis zbierania i analizy danych znajduje się w Pliku Uzupełniającym 2. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

Gradient temperatury:
Wahania temperatury w komorze były stosunkowo stałe i zmieniały się jedynie ± 0,4 °C, jak widać na Rysunku 3. Różnica wykazała nieco wyższą objętość bliżej prawego modułu termoelektrycznego, co mogło wynikać z różnic samych modułów lub ilości energii dostarczanej do każdego z nich.

Powierzchnia modułów termoelektrycznych była konsekwentnie o kilka stopni chłodniejsza niż powietrze w pobliżu, więc zapewnienie, że uchwyty baterii nie stykały się z modułami, było ważne dla dokładnego zarządzania temperaturą. Stosowanie przewodnika wyrównania uchwytu na baterie zmniejszało prawdopodobieństwo kontaktu między uchwytami a modułami.

Rysunek 4: Zmiany temperatury w czasie. (A) Początkowy rozkład temperatury wkrótce po budowie pokazuje zmianę ± 0,13 °C standardowego pomiaru co 10 sekund w ciągu 24 godzin. (B) Po 7 miesiącach użytkowania rozkład temperatury był mierzony co 10 sekund w ciągu tygodnia, co skutkowało zmianą ± 0,75 °C standardowo. Więcej informacji na temat tego pozyskiwania danych i wygładzania Gaussa znajduje się w Pliku Uzupełniającym 2. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

Monitorowanie temperatury:
Średnia wahania temperatury była mierzona co 10 sekund przez 168 godzin po 7 miesiącach użytkowania i można ją zobaczyć jako stabilną w tym okresie na Rysunku 4. Blokowy charakter danych na Rysunku 4B prawdopodobnie wynika z szybkich oscylacji temperatury. Można by zastosować bardziej zaawansowaną metodę kontroli, aby zmniejszyć te oscylacje, jeśli zajdzie taka potrzeba. Średnia temperatura początkowo zmieniała się o ± 0,13 °C, jak pokazano na rysunku 4A, ale w ciągu 7 miesięcy wzrosła do ± 0,75 °C, jak pokazano na rysunku 4B. Może to być oznaka, że komora staje się coraz bardziej niestabilna z upływem czasu, ale może też wynikać z innych czynników, takich jak wzrost temperatury otoczenia w laboratorium. Niemniej jednak stabilność temperatury w czasie jest znacząca i taki poziom kontroli temperatury jest zazwyczaj wystarczający dla większości badań akumulatorów niskotemperaturowych. Dodatkowe szczegóły dotyczące charakterystyki temperatury wewnątrz komory znajdują się w Pliku Uzupełniającym 2.

Rysunek 5: Ewolucja pojemności baterii w ciągu 100 cykli. (A) Dane cykliczne za pomocą systemu cyrkulacyjnej kąpieli do kontroli temperatury. Zaobserwowano duże różnice w pojemności spowodowane wahaniami temperatury i problemami korozyjnymi spowodowanymi kondensacją baterii. (B) Dane cykliczne z wykorzystaniem dostosowanej komory niskotemperaturowej przedstawionej w tym artykule wykazują znacznie mniej szumów. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

Dane cykliczne elektrochemiczne:
Aby sprawdzić wydajność komory w utrzymywaniu temperatury podczas testów baterii, przeprowadzono testy cykliczne galwanostatyczne na czterech komercyjnie dostępnych bateriach Li-ion 2032 Li-ion na monety. Te komórki monetowe były przenoszone w temperaturze 0 ± 1 °C z C/7 przez 100 cykli, co trwało ~3 miesiące. Wyniki przedstawiono na rysunku 5B. Dane te porównano z poprzednią generacją komor temperaturowych, które wykorzystywały komorę aluminiową izolowaną styropianem z kąpielą cyrkulacyjną zawierającą roztwór płynu chłodniczego. Metoda kąpieli cyrkulacyjnej powodowała duże odchylenia w zmierzonych możliwościach ogniw, jak widoczne na rysunku 5A, oraz powodowały korozję ogniw baterii podczas powtarzających się cykli. Nowy projekt komory przedstawiony tutaj wykazuje znaczącą poprawę pojemności zmierzonych ogniw, co podkreśla lepsza stabilność temperaturowa, brak korozji ogniw oraz znaczące zmniejszenie szumu w danych.

Prawidłowe działanie komory będzie świadczone o stałej temperaturze utrzymywanej z jedynie drobnymi wahaniami oraz danych elektrochemicznych wolnych od niewyjaśnionych lub nagłych zmian, takich jak nieregularne napięcia czy nagłe wzrosty i spadki pojemności ogniw. Po początkowym złożeniu i włączeniu komory zaleca się rejestrowanie temperatury w komorze przez 24 godziny do kilku dni, aby zapobiec stopniowemu podnoszeniu lub spadkowi temperatury, co oznaczałoby konieczność regulacji ustawień lodówki w celu optymalizacji odprowadzania ciepła.

Plik uzupełniający 1: Pliki STL do druku 3D. Pliki obejmują pliki 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 oraz Chamber Lid.stl files. Proszę kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.

Plik uzupełniający 2: Instrukcje druku i charakterystyka temperatury. Proszę kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.

Plik uzupełniający 3: Pliki STL do wydruku 3D głównej pokrywy i uchwytu na pokrywę. Proszę kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.

Dyskusja

Kluczowe kroki:
W protokole jest kilka etapów kluczowych dla zapewnienia prawidłowego działania komory chłodniczej. Należy zachować ostrożność przy połączeniach przewodów, ponieważ są one niezbędne do prawidłowego działania układów i zapewnienia dokładnego zbierania danych. Wadliwe połączenia przewodów mogą powodować nieregularne odczyty napięcia i można ich uniknąć, używając woltomierza do testowania połączeń przed włożeniem ogniw monetowych do komory.

Należy unikać nieszczelności powietrza, ponieważ mogą one przedostać się do komory dodatkowej wilgoci, która może się skraplać na ogniwach i powodować korozję. Precyzyjne obrabianie pokrywy i innych otworów, a także staranne uszczelnianie materiałem uszczelki i smarem, pomogą zapewnić długoterminową niezawodność i wydajność komory. Jeśli komora nie jest szczelna, kondensacja na ogniwach może prowadzić do korozji, co zwykle wskazuje na nieregularną wydajność ogniw, takie jak nagłe zwiększenie lub zmniejszenie pojemności ogniw, a po wyjęciu ogniw z uchwytów mogą wyglądać na przeciekające lub przebarwione.

Wreszcie, ważne jest, aby termopara używana do rejestrowania danych była dokładnie skalibrowana i odpowiednio umieszczona przed jej uszczelnieniem w komorze, aby wiarygodnie rejestrować wydajność temperaturową komory.

Modyfikacje:
Chociaż ta komora temperaturowa została specjalnie zaprojektowana do eksperymentów z 2032 ogniwami monetowymi w temperaturze 0 °C, ogólny projekt można zmodyfikować i zoptymalizować pod kątem szerokiego zakresu eksperymentów o podobnych wymaganiach środowiskowych. Uchwyty na komórki monetowe dla komórek 2032 można łatwo zastąpić tymi do innych ogniw. Różne geometrie baterii (np. cylindryczne, pokółko) można również dostosować poprzez zmianę uchwytów na baterie, ale może wymagać zwiększenia wymiarów komory. Komora mogła osiągać niższe temperatury poprzez zwiększenie mocy modułów termoelektrycznych do ponad 12 V. Moduły termoelektryczne użyte w tym projektowaniu są przystosowane do chłodzenia do -40 °C. Jednakże wymagałoby lepsze rozpraszanie ciepła oraz testy mające na celu ocenę gradientów temperatur wewnątrz komory i zapewnienie prawidłowego działania wszystkich komponentów przy tej obniżonej temperaturze. Płytka drukowana mogła być używana zarówno do rejestrowania danych, jak i sterowania modułami termoelektrycznymi, eliminując potrzebę stosowania dwóch termopar. Wreszcie, jeśli komora służy głównie do kontroli wilgotności, a precyzyjna kontrola temperatury nie stanowi problemu, pokrywa i konstrukcja komory mogą być używane bez modułów termoelektrycznych, systemu sterowania i części odprowadzających ciepło.

Rozwiązywanie problemów:
Ze względu na prostą konstrukcję, większość potencjalnych problemów powinna być stosunkowo łatwa do naprawy. Korozja baterii prawdopodobnie wskazuje na wyciek powietrza, a uszczelnienie wszystkich otworów powinno być pierwszym krokiem. Szumiące dane o cyklu baterii prawdopodobnie wskazują na problem z okablowaniem lub słaby kontakt fizyczny z uchwytami baterii, co można naprawić poprzez poprawę połączeń. Może to również być oznaką tworzenia się kondensacji na ogniwach, co może prowadzić do korozji, dlatego należy również sprawdzić system, aby upewnić się, że jest szczelny. Brak możliwości osiągnięcia pożądanej temperatury może wynikać z wielu czynników, takich jak nieprawidłowe stosowanie smaru termicznego, próby osiągnięcia pożądanej temperatury poza zakresem modułów termoelektrycznych, niewystarczający prąd i napięcie dostarczane modułom lub nieefektywne odprowadzanie ciepła.

Ograniczenia:
Głównym ograniczeniem konstrukcji tej komory jest wymóg wyciągnięcia wszystkich czterech baterii, aby zająć się dowolną z nich. Powoduje to, że wszystkie cztery baterie są narażone na działanie innych środowisk, gdy trzeba je wyjąć. Ten problem jest trudny do rozwiązania przy obecnym projekcie. Kolejnym ograniczeniem jest to, że jeśli zasilanie zostanie utracone w modułach termoelektrycznych, temperatura w komorze szybko wzrasta. Dlatego zapewnienie, że nie zostanie utracona moc na moduły, jest kluczowe. Użycie nieprzerwanego zasilania i/lub generatora zapasowego, aby zapobiec niepożądanym zmianom temperatury, może być korzystne, jeśli niepokoją się przerwy w dostawie prądu.

Znaczenie:
Baterie nadal cierpią na znacznie niższą wydajność w niskich temperaturach, co sprawia, że nowe badania nad tym problemem są coraz ważniejsze. Ten projekt komory temperaturowej został stworzony specjalnie do cyklu baterii 2032 z ogniwem monetowym w niskiej temperaturze, jednocześnie ograniczając kondensację i korozję. Kolejnym kluczowym celem było stworzenie projektu opłacalnego i łatwego do złożenia. Specjalnie wykonane komercyjne alternatywy dla tego rozwiązania są zazwyczaj drogie, a inne tanie opcje, na przykład użycie standardowej lodówki, nie zapobiegają całkowicie kondensacji i mogą wykazywać zwiększone wahania temperatur ^2,3,14. Dlatego ten projekt może być niskokosztową i szybką w realizacji opcją dla badaczy, którzy chcą prowadzić badania nad cyklicznymi cyklami baterii w niskiej temperaturze bez obciążania budżetu badawczego.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Śruby nakrętkowe 1/4"-20 x 1"	Grainger	4XE35	potrzeba 9; 8 dla radiatorów, 1 dla pokrywy
Fani 12 V	Digikey	2223-CFM-9225C-130-356-ND	potrzeba 2; Wykorzystywane do cyrkulacji powietrza do radiatorów
AC do złącza 12 V 10 A	Digikey	AD-EL-1201200-Z	Konwertuje Wall Power & NBSP;
Żywica octowa	McMaster	8575K148	Kolba 1,5" x 6" x 6"
Uchwyty na baterie	Digikey	36-1086-ND	potrzeba 4; 2 dodatki
Suwak okablowania baterii	Nie ma	Nie ma	Wydrukowane w 3D z PLA
Termopara do logowania danych	ExTech	872501-S	można zastąpić preferowaną termoparę
Electronic Development Board	Adafruit	3000	patrz Plik Uzupełniający 2
Elektroniczny System Rejestracji Tempastracji	Arduino	A000066	patrz Plik Uzupełniający 2
Lodówka	Magiczny Szef Kuchni	MCR170BE	można zastąpić standardową lodówkę
Szablon uszczelek	Nie ma	Nie ma	Wydrukowane w 3D z PLA
Materiał uszczelki	McMaster-Carr		5542N125
Radiator	Digikey	345-127709-ND	potrzeba 1; Pociąć na 2 radiatory
Zacisk radiatora	Nie ma	Nie ma	Wydrukowane w 3D z PLA
Klej rozpustny	Loctite	234790	Znane również jako superglue
Uchwyt na wieko	Nie ma	Nie ma	Wydrukowane w 3D z PLA
Długa opaska zaciskowa	Digikey	2162-AL-14-50-0-C-ND	Pakiet 100, potrzeba 4 lub mniej
Zestaw zacisków męski/żeński	Mouser	474-PRT-10501	potrzebuję 8, powinienem też mieć 4 zapasowe
Kontroler ON/OFF	Amazon	7.38587E+11	Stado 2
Zasilacz do złącza dwużyłowego	Digikey	CP-024A-ND	potrzeba 1
Protoboard	Adafruit	1609	potrzeba 1
Mocowanie protoboardowe	Nie ma	Nie ma	Wydrukowane w 3D z PLA
Krótka opaska zaciskowa	Southwire	BL4M2-C	Pakiet 100
Żel krzemionkowy	McMaster	2189K14	Służył do pochłaniania dodatkowej wilgoci
Silikon	Loctite	908570	potrzeba bardzo mało
Łączniki Spade	McMaster	7060K79	potrzebuję 8, powinienem mieć zapasowe
Przewody 22 AWG z użyciem	Adafruit	3175	Można zastąpić preferowane okablowanie
Montaż przełącznikowy	Nie ma	Nie ma	Wydrukowane w 3D z PLA
Pokrywa tymczasowa	Nie ma	Nie ma	Wydrukowane w 3D z PLA
Smar termiczny	Wakefield	120-5	potrzeba bardzo mało
Moduły termoelektryczne	DigiKey	102-1682-ND	potrzeba 2; Produkt producenta #: CP85438
Termometr	ExTech	EA15	można zastąpić preferowany termometr
Smar próżniowy	DuPont	2708493	potrzeba bardzo mało
Przetwornica przewodowa do aligatora	Nie ma	Nie ma	Wydrukowane w 3D z PLA
Okablowanie stacji dolnej	Nie ma	Nie ma	Wydrukowane w 3D z PLA
Okablowanie stacji na górze	Nie ma	Nie ma	Wydrukowane w 3D z PLA