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

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. O desempenho das baterias é frequentemente reduzido em ambientes frios, o que exige mais pesquisas focadas em investigações de baterias em baixas temperaturas.

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 não focam em experimentos não ambientais. Aqui relatamos um projeto simples e econômico de câmara de temperatura, fácil de montar e rápido de implementar, permitindo que mais pesquisas de baterias de baixa temperatura sejam conduzidas. Esse design permite uma temperatura confiável para quatro células de moeda 2032 em ambientes de baixa umidade, reduzindo problemas de corrosão e condensação.

Neste protocolo, passaremos pelos principais passos da fabricação da câmara antes de demonstrar como usá-la. Instruções adicionais são fornecidas no texto completo. Primeiro, imprima em 3D todos os arquivos STL suplementares, exceto os arquivos da câmara e da tampa da câmara, usando PLA.

Segundo, moa o bloco de resina de acetol para as dimensões fornecidas. Usamos uma fresadora CNC ou manual para criar a câmara principal e a tampa, mostrando os arquivos suplementares da câmara e da tampa da câmara. Também corte os dissipadores de calor no tamanho certo e perfure furos de acordo com o arquivo de layout do furo.

Agora você deve ter todas as peças que exigem uma oficina mecânica. Deslize os quatro suportes de bateria pelo controle deslizante da fiação da bateria e depois pela tampa. Certifique-se de que cada uma das abas do suporte da bateria esteja na posição de ligado.

Conecte toda a fiação na figura 2, exceto os módulos termoelétricos e os ventiladores de 12 volts. Essas serão conectadas depois. Solde os cabos de 12 volts e terra na fonte de alimentação para o conector de 2 fios.

Crie as juntas cortando primeiro o material da junta usando uma ferramenta de corte e o gabarito para fazer duas juntas. Aplique uma leve pressão para evitar puxar a junta debaixo do gabarito e cortar demais. Coloque a junta em um dos bolsos laterais da câmara principal para que fique plana dentro do compartimento.

Coloque os fios do módulo termoelétrico pelos furos laterais da câmara principal, com o lado frio numerado dos módulos termoelétricos voltado para dentro da câmara. Aplique uma camada fina, mas completa, de graxa térmica no lado quente termoelétrico sem número. Aplique um anel fino de silicone na câmara fora do módulo termoelétrico.

Coloque cuidadosamente um dissipador de calor sobre a câmara principal. Aperte os dissipadores de calor na câmara principal para apertar o silicone. Isso formará uma vedação hermética.

Remova qualquer excesso de silicone. Repita dos dois lados. Depois de deslizar a tampa e os termopares para dentro da câmara, coloque os dois ventiladores de 12 volts em cada lado dos dissipadores de calor.

Oriente para soprar nos dissipadores de calor. Use três abraçadeiras longas para apertar os ventiladores no lugar. Fixe o suporte do interruptor e o suporte do protoboard às impressões do dissipador de calor com cola instantânea.

Deslize os suportes para a fileira superior dos dissipadores de calor. Coloque a protoboard, o interruptor liga-desliga, o controlador e o material isolado em suas respectivas posições nas montagens. Após organizar os fios, soldar as conexões dos módulos termoelétricos e dos ventiladores de 12 volts.

A câmara está agora totalmente montada. Para resfriar a câmara até a temperatura adequada, desligue os módulos termoelétricos com o interruptor manual liga-desliga. Configure o controle para o modo de resfriamento.

Ajuste a temperatura desejada para 0 graus Celsius e o diferencial de desligamento para 0,1 grau Celsius. Ajuste a faixa de temperatura para -55 a 24 graus Celsius para evitar superaquecimento extremo ou superresfriamento em circunstâncias fora do comum. Depois de conectar o termopar de registro de dados ao termômetro e colocar a câmara na geladeira, ligue novamente o interruptor liga-desliga.

A câmara está agora pronta para uso. 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 com a mão e coloque-a em uma superfície plana ou no suporte da tampa impressa em 3D fornecido e substitua por uma tampa temporária. Abra os suportes de bateria que você deseja substituir e coloque a célula da moeda dentro do suporte. 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. Troque a tampa principal. Pode levar até duas horas para que a temperatura se reequilibre dentro da câmara.

Para avaliar a confiabilidade da câmara para manter uma temperatura constante de 0 graus Celsius, seu desempenho foi testado de três maneiras. Primeiro, usamos um registrador automático de dados de temperatura para medir os gradientes de temperatura na câmara. A variação de temperatura em toda a câmara era consistente e variava apenas 4 graus Celsius.

Segundo, a estabilidade térmica da câmara recém-montada foi monitorada ao longo de um único dia, mantendo uma variação de temperatura de 13 graus Celsius. Para testar o desempenho a longo prazo, após sete meses de uso do dispositivo, foi realizada uma medição de uma semana, que mostrou uma variação de temperatura ligeiramente reduzida de 75 graus Celsius. Por fim, quatro células-moeda de íon-lítio 2032 foram cicladas 100 vezes durante três meses.

Os dados do ciclo mostram desempenho consistente e baixo ruído ao longo deste experimento. Esses resultados demonstram que a câmara pode manter temperatura constante e permite que experimentos de ciclo eletroquímico a baixa temperatura sejam realizados de forma confiável. Apresentamos aqui um design simples para permitir um ciclo de bateria em baixa temperatura e custo para células moeda 2032 em um ambiente de baixa umidade.

O teste de desempenho mostra que este dispositivo apresenta desempenho confiável e de longo prazo, com variações de temperatura inferiores a um grau Celsius.