Design de câmara de bateria de célula de moeda para experimentos de operando em baixa temperatura

Resumo

Um projeto é apresentado para permitir um ciclo de bateria de baixa temperatura e custo para 2032 células de moeda em um ambiente de baixa umidade. As células são cicladas a 0 °C dentro de uma câmara resfriada por módulos termoelétricos. Esse design simples pode ser adaptado para experimentos que exigem ambientes semelhantes com controle térmico e de umidade ou diferentes geometrias de bateria.

Resumo

À medida que nos tornamos mais dependentes das baterias recarregáveis que alimentam nossos dispositivos, está se tornando cada vez mais importante entender as reduções de capacidade e desempenho que ocorrem em ambientes de clima frio. Pesquisas focadas no desempenho de ciclo de baterias em baixas temperaturas são essenciais para orientar o projeto e otimização de baterias avançadas. No entanto, equipamentos comerciais de ciclagem de baterias de baixa temperatura tendem a ser caros, impedindo que pesquisas em ciclos de baixa temperatura sejam realizadas em muitas instalações. A seguir está um projeto simples e econômico de câmara de temperatura, fácil de montar e implementar rapidamente. Esse design permite controle confiável de temperatura para quatro células moeda 2032 em ambientes de baixa umidade, reduzindo assim problemas de corrosão e condensação. Os dados de ciclos eletroquímicos demonstram a evolução da capacidade celular em T = 0 ± 1 °C por 100 ciclos a uma taxa C de C/7. A temperatura pode ser reduzida para -5 °C no projeto atual, e pequenas modificações permitiriam temperaturas ainda mais baixas. Além disso, esse design também pode ser facilmente adaptado para acomodar outros tipos de baterias ou para aumentar o número de amostras medidas.

Introdução

À medida que o mundo se torna cada vez mais eletrificado, as baterias desempenham um papel fundamental na energização dos nossos dispositivos. Desde alimentar nossos veículos elétricos até fornecer armazenamento de energia para fontes renováveis em nível de rede, está se tornando cada vez mais importante desenvolver baterias que demonstrem alto desempenho em uma ampla variedade de^{climas 1,2}. O desempenho das baterias é frequentemente reduzido em ambientes frios, o que exige mais pesquisas focadas em investigações de baterias em baixas^{temperaturas 3,4}. No entanto, equipamentos comerciais de ciclagem de baterias de baixa temperatura tendem a ser caros, impedindo que esses estudos sejam realizados em instalações de pesquisa que normalmente não focam em experimentos não ambientais.

Muitas aplicações de baterias só precisam entender o comportamento em baixas temperaturas em temperaturas modestas que se aproximam de 0 °C ou um pouco menos^{de 5}. Apesar mesmo dessa faixa limitada de temperatura, as baterias continuam a apresentar reduções significativas na capacidade geral, desempenho e características de carregamento em baixas^{temperaturas 6,7}. Por exemplo, baterias comerciais de íons de lítio mantêm apenas 10% de sua capacidade de temperatura ambiente a −40 °^{C 8,9}. Todos os componentes da célula, incluindo cátodo, ânodo e eletrólito, têm efeitos documentados em temperaturas não^{ambientes 6,7,10}. Essa questão está se tornando cada vez mais importante devido ao recente surgimento de veículos elétricos e dificulta o uso de baterias recarregáveis em países com climas de inverno^{frios 11,12}. O desempenho da bateria em ambientes frios só pode ser otimizado se aumentarmos nossa compreensão dos processos complexos subjacentes que ocorrem em baixas temperaturas.

Baterias de célula moeda são comumente usadas para alimentar pequenos dispositivos eletrônicos portáteis devido ao seu design compacto. Eles também são frequentemente usados em laboratórios de pesquisa para testar novas químicas de baterias e o desempenho geral dos dispositivos. As células moeda são fáceis de montar e de baixo custo, o que permite aos pesquisadores testar rapidamente novos protótipos antes de expandir para pacotes de baterias maiores, mais complexos e caros. Seu pequeno tamanho também permite que se encaixem facilmente em equipamentos de ambiente de amostra de baixa temperatura, possibilitando investigações verdadeiramente in operando e in situ . Portanto, as células moeda são excelentes escolhas para estudos de baterias dependentes da temperatura, e há uma clara necessidade de uma câmara acessível para baixa temperatura (≈ 0 °C), projetada especificamente para testes de baterias de células moeda não^{ambientais 13}. Geladeiras residenciais comerciais podem fornecer facilmente as baixas temperaturas necessárias para esses experimentos, mas a falta de regulação da umidade causa problemas de corrosão e prejudica a precisão das medições. Equipamentos comerciais especializados tendem a ser adaptados para laboratórios de pesquisa em baterias em grande escala, frequentemente medindo dezenas ou centenas de baterias ao mesmo tempo. Esse equipamento é caro e pode ser proibitivo para laboratórios de pesquisa com orçamentos menores.

Aqui relatamos um projeto de câmara simples, econômico e de baixa temperatura, fácil de montar e rápido de implementar, permitindo que mais pesquisas sobre baterias de baixa temperatura sejam realizadas. Esse design permite controle confiável de temperatura para quatro células de moeda 2032 em ambientes de baixa umidade, reduzindo problemas de corrosão e condensação. Ele oferece uma alternativa econômica aos equipamentos comerciais de controle de temperatura que podem ser implementados em pequenos laboratórios de pesquisa. O design simples pode ser facilmente montado em menos de uma semana usando usinagem mínima, peças prontas para uso de prateleira, além de algumas peças personalizadas que podem ser fabricadas com uma impressora 3D usando os arquivos fornecidos. O custo total é cerca de 870 USD, mas considerando que muitos desses materiais são comumente disponíveis e podem já estar presentes em laboratórios de pesquisa, o custo total desse dispositivo pode ser consideravelmente menor para ser produzido. Um guia passo a passo sobre como montar o sistema é fornecido.

A eficácia do projeto é demonstrada por meio do ciclo galvanostático operando sob condições de temperatura não ambiente (0 °C) e é demonstrada como adequada para ciclagem de longo prazo ao longo de vários meses. O desempenho do controle de temperatura e uma representação 3D da distribuição de temperatura dentro da câmara também são mostrados. Embora os resultados não sejam apresentados aqui, a câmara também pode ser usada para experimentos eletroquímicos operando adicionais, incluindo voltametria cíclica e espectroscopia de impedância elétrica. Modificações nesse projeto para permitir uma gama mais ampla de medições de operando são discutidas, bem como o potencial de ampliar a faixa de temperatura da câmara.

Os principais objetivos dessa câmara de temperatura são o controle de temperatura confiável, limitando a condensação, permitindo que quatro células de moeda 2032 sejam cicladas nessas condições. O resfriamento primário é obtido usando uma mini-geladeira comercial, mas as variações de temperatura podem ser pouco confiáveis para fins experimentais. Portanto, esse projeto utiliza um controlador liga-desligado que controla dois módulos termoelétricos para regular ainda mais uma pequena câmara hermética usinada a partir de resina acetal. Dissipadores de calor e ventiladores dissipam calor, permitindo que os módulos termoelétricos mantenham uma pequena diferença de temperatura. Os feedthroughs localizados na tampa permitem que oito fios passem por ela para permitir o ciclo da bateria. Uma representação esquemática de uma seção transversal do projeto é representada na Figura 1A.

Figura 1: Câmara de temperatura. (A) Ilustração da câmara de baixa temperatura com componentes rotulados. (B) A câmara de temperatura montada. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

Protocolo

1. Fabricação da câmara

1. Componentes de impressão 3D
   1. Imprima em 3D todos os arquivos STL no Arquivo Suplementar 1 (Gasket Jig.stl, Heat Sink Clamp.stl, On-Off Mount.stl, Protoboard Mount.stl, Wire to Alligator Converter.stl, Wiring Station Bottom.stl e Wiring Station Top.stl), exceto os arquivos Chamber.stl e Chamber Lid.stl, usando ácido polilático (PLA).
      NOTA: As instruções de impressão fazem parte do Arquivo Suplementar 2. Na primeira parte deste protocolo, as peças da Tabela de Materiais estarão em itálico, e as peças impressas em 3D terão sua extensão (.stl).
2. Moagem da câmara principal, tampa e dissipadores de calor
   1. Frese o bloco de resina acetal para blocos de origem de 4" × 3,5", × 1,5" e 1,45" × 1,45" × 1,125".
      ATENÇÃO: A usinagem pode ser perigosa e causar danos pessoais. Etapas que envolvam usinagem ao longo deste protocolo devem ser realizadas apenas por profissionais treinados.
   2. Use um controle numérico computacional (CNC) ou uma fresadora manual para criar a câmara principal e a tampa, conforme mostrado nos arquivos Chamber.stl e Chamber Lid.stl no Arquivo Suplementar 1.
      NOTA: A tampa deve ser usinada para garantir um encaixe hermético. Um anel de vedação pode ser adicionado para alcançar uma vedação melhor.
   3. Corte o dissipador de calor em dois perfis de 4" por 3,5".
   4. Perfure furos de acordo com o arquivo de Layout.pdf de furos no Arquivo Suplementar 1.
   5. Fure furos nas aletas do dissipador de calor para dar espaço para as cabeças dos parafusos das tampas.
   6. Parafuse um parafuso de 1/4"-20 x 1" no topo da tampa. Esse ferrolho facilita a remoção da tampa da câmara.
   7. Deslize os quatro suportes de bateria pelo controle deslizante de fiação da bateria e depois pela tampa. Certifique-se de que cada uma das abas do suporte da bateria esteja na posição ON.
   8. Adicione silicone em todos os furos de fio que entram na tampa e deixe firmar.
      NOTA: Qualquer resíduo químico gerado durante este procedimento deve ser descartado de acordo com as diretrizes do fabricante e as fichas de dados de segurança dos materiais.
3. Montagem da eletrônica
   ATENÇÃO: Riscos elétricos. Todo trabalho elétrico deve ser realizado por um profissional treinado.
   1. Conecte toda a fiação da Figura 2 , exceto os Módulos Termoelétricos e os Ventiladores de 12 V. Essas serão conectadas depois.
   2. Solde os cabos de 12 V e terra da fonte de alimentação no conector de dois fios.
      ATENÇÃO: Os riscos de solda incluem lesões térmicas e riscos de inalação. O trabalho deve ser realizado apenas por um profissional treinado em uma área bem ventilada.
4. Montando a câmara
   1. Crie as juntas cortando primeiro o material da junta usando uma ferramenta de corte e o Jig.stl da Junta (Arquivo Suplementar 1) para fazer duas juntas. Aplique uma leve pressão para evitar puxar a junta debaixo do gabarito e cortar demais.
   2. Coloque uma Junta em um dos bolsos laterais da câmara principal para que fique plano no bolso.
   3. Passe os fios do Módulo Termoelétrico pelos furos laterais da câmara principal, com o lado numerado (frio) dos módulos termoelétricos voltado para dentro da câmara.
   4. Aplique uma camada fina, mas completa, de graxa térmica no lado termoelétrico não numerado (quente).
   5. Aplique um anel fino de silicone na câmara externa ao módulo termoelétrico.
   6. Coloque cuidadosamente um dissipador de calor sobre a câmara principal. Parafusar tampas de 1/4"-20 x 1" Parafusos nos dissipadores de calor na câmara principal para apertar o silicone. Isso formará uma vedação hermética. Remova qualquer excesso de silicone.
   7. Repita dos dois lados. Espere o silicone firmar.
   8. Cubra a parte inferior das laterais da tampa da câmara com uma fina camada de graxa a vácuo e deslize para dentro da câmara.
   9. Deslize o Termopar de Datalogging e o termopar do controlador ON/OFF em seus respectivos orifícios na lateral da câmara.
   10. Adicione silicone em todos os furos dos fios que entram na câmara e deixe firmar.
   11. Coloque os dois ventiladores de 12 V de cada lado dos dissipadores, orientados para soprar para dentro dos dissipadores. Use três abraçadeiras longas para apertar os ventiladores no lugar, como mostrado na Figura 1B.
5. Montagem dos suportes e fiação
   1. Anexe o Switch Mount.stl e o Protoboard Mount.stl no Arquivo Suplementar 1 às impressões do Heat Sink Clamp com cola instantânea.
      ATENÇÃO: Risco químico. Use todos os produtos químicos conforme orientado pelo fabricante.
   2. Deslize os suportes para a fileira superior dos dissipadores de calor. Coloque a Protoboard, o interruptor ON/OFF, o controlador e o material isolante em suas respectivas posições nas montagens. Certifique-se de que o interruptor ON/OFF esteja preso na posição de fixação com um pedaço de fita dupla face. Use um pedaço de acrílico ou qualquer outro material isolante e deslize para dentro do Protoboard Mount.stl acima do protoboard para ajudar a evitar curtos-circuitos acidentais.
   3. Usando o Conjunto de Crimpagem Macho/Fêmea, crimpeie os conectores macho nos fios de cada suporte de bateria. Use fio de bitola 22 AWG e conectores de fio para conectar os fios onde for necessário. É recomendado usar alicates de bico fino para segurar o lado macho ao separar esses conectores, para evitar estresse excessivo nos próprios fios.
   4. Use as impressões 3D da Estação de Fiação Inferior e Top.stl (Arquivo Suplementar 1) para organizar os fios.
   5. Use conectores de palha e a impressão 3D Wire to Alligator Converter.stl (Arquivo Suplementar 1) para permitir uma conexão tipo jacaré com as células.
6. Montagem final
   1. Após organizar os fios, soldar as conexões para os Módulos Termoelétricos e os Ventiladores de 12 V. A câmara está agora totalmente montada.

Figura 2: Esquema do circuito elétrico do circuito que controla o sistema de resfriamento da câmara. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

2. Uso da câmara

1. Controle da câmara
   1. Para resfriar a câmara até a temperatura adequada, desligue os módulos termoelétricos com o interruptor manual ON/OFF. Conecte-se à fonte de energia.
   2. Configure o controle para o modo de resfriamento. Ajuste a temperatura desejada para 0 °C e o diferencial de ativação para 0,1 °C. Ajuste a faixa de temperatura para -55 °C a 24°C para evitar superaquecimento extremo ou superresfriamento em circunstâncias fora do comum.
      NOTA: Ajuste a temperatura na geladeira para ficar um pouco mais quente (~2 °C) do que a temperatura desejada. A temperatura da geladeira deve ser mais quente do que a desejada para que o controlador ON/OFF mantenha a temperatura desejada, mas a temperatura não pode ser muito alta, ou os módulos termoelétricos não conseguirão atingir a temperatura desejada.
2. Temperatura de registro
   1. Conecte o termopar de registro de dados ao termômetro e coloque a câmara na geladeira.
   2. Configure o termômetro para ficar aceso indefinidamente e registre a temperatura a cada poucos segundos por 24 horas.
      NOTA: Se estiver funcionando corretamente, a temperatura na câmara não deve variar mais que ± 1 °C.
   3. Quando estiver pronto para começar a resfriar, ligue o interruptor manual ON/OFF. A câmara está agora pronta para uso.
3. Abrir a câmara e adicionar uma bateria
   NOTA: Se as baterias estiverem sendo medidas ativamente, as trocas de amostras devem ser feitas rapidamente para evitar grandes variações de temperatura e reduzir a condensação nas baterias. Enquanto o trabalho é realizado na tampa principal, uma tampa temporária pode ser impressa em 3D para substituir a tampa principal durante trocas de amostra, usando o Temp Lid.stl contido no Arquivo Suplementar 3.
   1. Para abrir a câmara para adicionar ou remover baterias, coloque uma chave de fenda na parte inferior do parafuso da tampa. Usando a borda externa como ponto de apoio, pressione para baixo o cabo da chave de fenda. Quando a tampa estiver solta, puxe-a manualmente e coloque-a em uma superfície plana ou use o Lid Holder.stl contido no Arquivo Suplementar 3 para imprimir em 3D um suporte de tampa. Troque a tampa da câmara pela tampa temporária.
   2. Abra os suportes de bateria para serem substituídos e coloque a célula da moeda dentro do suporte.
   3. Remova a tampa temporária e depois o pacote de gel de sílica dentro da câmara. Limpe qualquer umidade com um pano e coloque o pacote de gel de sílica na câmara para ajudar a absorver qualquer umidade extra.
   4. Coloque a tampa principal e coloque a câmara de volta na geladeira.
      NOTA: Pode levar até 2 horas para que a temperatura se reequilibre dentro da câmara.
4. Operando ciclando em baixa temperatura
   1. Realize os experimentos de ciclo assim que a temperatura desejada for atingida.
   2. Continue registrando a temperatura para garantir que a câmara permaneça na temperatura desejada.

Resultados

O desempenho da câmara foi testado de três maneiras: (1) medição dos gradientes de temperatura através da câmara, (2) monitoramento da temperatura em um período de 24 horas após a construção inicial e um período de 168 horas após 7 meses de uso, e (3) coleta de dados de ciclo para células moeda de baterias de íon-lítio ao longo de 100 ciclos ou ~3 meses. Esses resultados, discutidos abaixo, demonstram que a câmara é capaz de manter temperatura constante por vários meses com uma variação média de temperatura inferior a 0,75 °C, resultando em dados consistentes de ciclo eletroquímico.

Figura 3: Dependência tridimensional da temperatura da câmara fria. O plano YZ é o plano representado na Figura 1. Foi construído um registrador de dados de temperatura personalizado de 2 eixos que podia ser usado dentro da mini-geladeira. Cada ponto de dados representa uma medição única de temperatura, resultando em uma variação geral de temperatura em toda a câmara de ± 0,4 °C. Uma descrição adicional da coleta e análise de dados é fornecida no Arquivo Suplementar 2. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

Gradiente de temperatura:
A variação de temperatura em toda a câmara foi relativamente consistente e variou apenas ± 0,4 °C, como visto na Figura 3. A variação mostrou um volume um pouco mais quente, próximo ao módulo termoelétrico direito, o que pode ser devido à variação nos próprios módulos ou à quantidade de energia entregue a cada um.

A superfície dos módulos termoelétricos era consistentemente alguns graus mais fria que o ar próximo, então garantir que os suportes das baterias não estivessem em contato com os módulos era importante para um gerenciamento preciso da temperatura. O uso do guia de alinhamento do suporte da bateria diminuiu a probabilidade de contato entre os suportes e os módulos.

Figura 4: Variação de Temperatura com o Tempo. (A) A distribuição inicial de temperatura logo após a construção mostra uma variação de ± 0,13 °C quando medida a cada 10 segundos ao longo de um período de 24 horas. (B) Após 7 meses de uso, a distribuição de temperatura era medida a cada 10 s durante um período de 1 semana, resultando em uma variação de ± 0,75 °C std. Mais informações sobre essa aquisição de dados e suavização Gaussiana estão fornecidas no Arquivo Suplementar 2. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

Monitoramento de temperatura:
A variação média de temperatura foi medida a cada 10 s durante 168 horas após 7 meses de uso e pode ser vista como estável nesse período na Figura 4. A natureza em bloco dos dados na Figura 4B provavelmente se deve às rápidas oscilações de temperatura. Um método de controle mais sofisticado poderia ser usado para diminuir essas oscilações, se necessário. A temperatura média inicialmente variou em ± 0,13 °C, como mostrado na Figura 4A, mas aumentou ao longo de um período de 7 meses para ± 0,75 °C, conforme mostrado na Figura 4B. Isso pode ser um sinal de que a câmara fica mais instável com o passar do tempo, mas também pode ser devido a outros fatores, como o aumento da temperatura ambiente do laboratório. No entanto, a estabilidade da temperatura ao longo do tempo é significativa, e esse nível de controle de temperatura geralmente é adequado para a maioria das investigações de baterias em baixa temperatura. Detalhes adicionais sobre a caracterização da temperatura dentro da câmara são fornecidos no Arquivo Suplementar 2.

Figura 5: Evolução da capacidade da bateria ao longo de 100 ciclos. (A) Ciclagem dos dados usando um sistema de banho circulante para controle de temperatura. Grandes variações na capacidade foram observadas devido a flutuações de temperatura e problemas de corrosão causados pela condensação nas baterias. (B) Dados de ciclo usando a câmara personalizada de baixa temperatura apresentada neste artigo, exibindo significativamente menos ruído. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

Dados de ciclos eletroquímicos:
Para testar o desempenho da câmara na manutenção da temperatura durante os testes de bateria, foram realizados testes de ciclo galvanostático em quatro baterias de célula moeda de íon de lítio 2032 comercialmente disponíveis. Essas células moeda eram cicladas a 0 ± 1 °C a uma taxa C de C/7 por 100 ciclos, o que levava ~3 meses. Os resultados estão mostrados na Figura 5B. Esses dados são comparados a uma geração anterior de câmara de temperatura, que utilizava uma câmara de alumínio isolada com isopor e um banho circulante contendo solução anticongelante. O método do banho circulante resultou em grandes desvios nas capacidades das células medidas, como observado na Figura 5A, e resultou em corrosão das células da bateria durante ciclos repetidos. O novo projeto de câmara aqui relatado mostra uma melhora significativa nas capacidades das células medidas, destacada por uma maior estabilidade de temperatura, ausência de corrosão das células e redução significativa do ruído nos dados.

O funcionamento adequado da câmara será indicado por temperatura constante mantida com apenas pequenas flutuações, e dados eletroquímicos livres de mudanças inexplicáveis ou súbitas, como tensões erráticas ou aumentos e diminuições súbitas na capacidade das células. Após a montagem e ligação inicial da câmara, é recomendável registrar a temperatura da câmara por 24 horas até vários dias para garantir que não haja um aumento ou diminuição gradual que indicaria que as configurações da geladeira precisam ser ajustadas para otimizar a dissipação de calor.

Arquivo Suplementar 1: Arquivos STL para impressão 3D. Os arquivos incluem Gasket Jig.stl, Heat Sink Clamp.stl, On-Off Mount.stl, Protoboard Mount.stl, Wire to Alligator Converter.stl, Firing Station Bottom.stl, Firing Station Top.stl, Chamber.stl e arquivos Chamber Lid.stl. Por favor, clique aqui para baixar este arquivo.

Arquivo Suplementar 2: Instruções de impressão e caracterização de temperatura. Por favor, clique aqui para baixar este arquivo.

Arquivo Suplementar 3: Arquivos STL para imprimir em 3D a tampa principal e o suporte da tampa. Por favor, clique aqui para baixar este arquivo.

Discussão

Passos críticos:
Existem várias etapas no protocolo que são críticas para garantir o desempenho correto da câmara fria. Cuidado com as conexões dos fios devem ser necessárias, pois elas são necessárias para que o circuito funcione corretamente e garanta uma coleta precisa de dados. Conexões de fiação defeituosas podem resultar em leituras de tensão erráticas e podem ser evitadas usando um voltímetro para testar as conexões antes de colocar as células moeda na câmara.

Vazamentos de ar devem ser evitados, pois permitiriam a entrada de umidade adicional na câmara, que pode condensar nas células e causar corrosão. A usinagem precisa da tampa e de outros furos, assim como a vedação cuidadosa com o material da junta e a graxa, ajudarão a garantir a confiabilidade e o desempenho a longo prazo da câmara. Se a câmara não for hermética, a condensação nas células pode resultar em corrosão, geralmente indicada por desempenho errático da célula, como aumentos ou diminuições súbitas na capacidade da célula, e quando as células são removidas dos suportes, podem parecer estar vazando ou descoloridas.

Por fim, garantir que o termopar usado para registro de dados esteja corretamente calibrado e posicionado antes de selá-lo na câmara é importante para registrar de forma confiável o desempenho térmico da câmara.

Modificações:
Embora essa câmara de temperatura seja especificamente projetada para experimentos com célula moeda 2032 a 0 °C, esse design geral pode ser modificado e otimizado para uma ampla gama de experimentos com requisitos ambientais semelhantes. Os suportes de células de moeda para células 2032 poderiam ser facilmente substituídos por outros para células de moeda. Diferentes geometrias de bateria (por exemplo, cilíndrica, bolsa) também podem ser acomodadas trocando os suportes da bateria, mas podem exigir o aumento das dimensões da câmara. A câmara poderia ser capaz de atingir temperaturas mais baixas aumentando a potência dos módulos termoelétricos para mais de 12 V. Os módulos termoelétricos usados neste projeto são classificados para fornecer resfriamento a -40 °C. No entanto, seria necessário um dissipamento de calor melhorado, bem como testes para avaliar gradientes de temperatura dentro da câmara e garantir o funcionamento adequado de todos os componentes a essa temperatura reduzida. Uma placa de circuito impresso podia ser usada tanto para registrar os dados quanto para controlar os módulos termoelétricos, eliminando a necessidade de dois termopares. Por fim, se a câmara for usada principalmente para controle de umidade e o controle preciso de temperatura não for uma preocupação, o design da tampa e da câmara pode ser usado sem os módulos termoelétricos, o sistema de controle e as partes de dissipação de calor.

Solução de Problemas:
Devido ao design simples, a maioria dos possíveis problemas encontrados deve ser relativamente simples de corrigir. A corrosão das baterias provavelmente indica um vazamento de ar, e garantir que todos os furos estejam vedados deve ser a primeira ação contra isso. Dados ruidosos de ciclagem da bateria provavelmente indicam um problema de fiação ou contato físico ruim com os suportes da bateria, o que pode ser corrigido melhorando as conexões. Também pode ser um sinal de que condensação está se formando nas células, potencialmente levando à corrosão, então o sistema deve ser verificado para garantir que ele seja hermético. A incapacidade de atingir a temperatura desejada pode ser causada por diversos fatores, como aplicação inadequada da graxa térmica, tentativa de alcançar a temperatura desejada fora do alcance dos módulos termoelétricos, corrente e voltagem insuficientes fornecidas aos módulos, ou dissipação ineficaz de calor.

Limitações:
Uma limitação principal desse design de câmara é a exigência de retirar todas as quatro baterias para corrigir qualquer uma delas. Isso faz com que as quatro baterias fiquem expostas a outros ambientes quando alguma delas precisa ser retirada. Esse problema é difícil de mitigar com o design atual. Outra limitação é que, se a energia for perdida para os módulos termoelétricos, a temperatura na câmara sobe rapidamente. Portanto, garantir que a energia não seja perdida para os módulos é fundamental. Usar uma fonte de alimentação ininterrupta e/ou um gerador reserva para evitar mudanças indesejadas de temperatura pode ser benéfico caso quedas de energia sejam uma preocupação.

Importância:
As baterias continuam sofrendo com desempenho significativamente reduzido em baixas temperaturas, tornando-se cada vez mais importantes para novos esforços de pesquisa sobre esse problema. Esse design de câmara de temperatura foi feito especificamente para ciclar baterias de célula moeda 2032 em baixa temperatura, limitando condensação e corrosão. Outro objetivo importante era produzir um projeto que fosse econômico e fácil de montar. Alternativas comerciais especialmente feitas a esse design são tipicamente caras, e outras opções de baixo custo, como o uso de uma geladeira padrão, não evitam completamente a condensação e podem apresentar variação de temperatura^{aumentada 2,3,14}. Portanto, esse design pode ser uma opção de baixo custo e rápida implementação para pesquisadores que desejam realizar estudos de ciclo de bateria em baixa temperatura sem sobrecarregar seus orçamentos de pesquisa.

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Parafusos de tampa 1/4"-20 x 1"	Grainger	4XE35	necessidade 9; 8 para dissipadores de calor, 1 para tampa
Ventiladores de 12 V	Digikey	2223-CFM-9225C-130-356-ND	necessidade 2; Usado para circular o ar até dissipadores de calor
Conector AC para 12 V 10 A	Digikey	AD-EL-1201200-Z	converte Wall Power 
Resina Acetal	McMaster	8575K148	Coronha de 1,5" x 6" x 6"
Suportes de Bateria	Digikey	36-1086-ND	necessidade 4; 2 extras
Controle Deslizante de Fiação de Bateria	N/A	N/A	Impresso em 3D a partir do PLA
Datalogging Termopar	ExTech	872501-S	Um termopar preferido pode ser substituído
Conselho de Desenvolvimento Eletrônico	Adafruit	3000	veja Arquivo Suplementar 2
Sistema de Registro Eletrônico de Temeprature	Arduino	A000066	veja Arquivo Suplementar 2
Geladeira	Chef Mágico	MCR170BE	Uma geladeira padrão pode ser substituída
Gabarito de Junta	N/A	N/A	Impresso em 3D a partir do PLA
Material da Junta	McMaster-Carr		5542N125
Dissipador de Calor	Digikey	345-127709-ND	necessidade 1; Corte em 2 dissipadores de calor
Grampo de dissipador de calor	N/A	N/A	Impresso em 3D a partir do PLA
Cola Instantânea	Loctite	234790	Também conhecido como Super Cola
Suporte de tampa	N/A	N/A	Impresso em 3D a partir do PLA
Abraçadeira Comprida	Digikey	2162-AL-14-50-0-C-ND	Pacote de 100, preciso de 4 ou menos
Conjunto de Crimpagem Masculino/Feminino	Mouser	474-PRT-10501	preciso de 8, também deve pegar 4 sobressalentes
Controlador ON/OFF	Amazon	7.38587E+11	Pack de 2
Fonte de alimentação para conector de 2 fios	Digikey	CP-024A-ND	Necessidade 1
Protoboard	Adafruit	1609	Necessidade 1
Montagem Protoboard	N/A	N/A	Impresso em 3D a partir do PLA
Abraçadeira curta	Southwire	BL4M2-C	Pack of 100
Gel de Sílica	McMaster	2189K14	usado para absorver qualquer umidade extra
Silicone	Loctite	908570	Preciso de muito pouco
Conectores Spade	McMaster	7060K79	preciso de 8, devo pegar peças sobressalentes
Fios Trançados 22 AWG	Adafruit	3175	A fiação preferencial pode ser substituída
Suporte de Interruptor	N/A	N/A	Impresso em 3D a partir do PLA
Tampa Temporária	N/A	N/A	Impresso em 3D a partir do PLA
Graxa Térmica	Wakefield	120-5	Preciso de muito pouco
Módulos termoelétricos	DigiKey	102-1682-ND	necessidade 2; Produto do Fabricante #: CP85438
Termômetro	ExTech	EA15	Um termômetro preferido pode ser substituído
Graxa a vácuo	DuPont	2708493	Preciso de muito pouco
Conversor de Fio para Jacaré	N/A	N/A	Impresso em 3D a partir do PLA
Base da Estação de Fiação	N/A	N/A	Impresso em 3D a partir do PLA
Topo da Estação de Fiação	N/A	N/A	Impresso em 3D a partir do PLA