Проектирование камеры аккумулятора с монетными элементами для экспериментов Operando при низких температурах

Краткое содержание

Представлена конструкция, позволяющая экономично использовать низкотемпературные батареи для монетных ячеек 2032 года в условиях низкой влажности. Ячейки работают при 0 °C внутри камеры, охлаждаемой термоэлектрическими модулями. Этот простой дизайн может быть адаптирован для экспериментов, требующих схожих термических и влажностных сред или других геометрий батарей.

Аннотация

По мере того как мы становимся всё более зависимыми от аккумуляторов, питающих наши устройства, становится всё важнее понимать снижение ёмкости и производительности, происходящее в холодных условиях. Исследования, сосредоточенные на циклической эффективности аккумуляторов при низких температурах, необходимы для направления проектирования и оптимизации современных аккумуляторов. Однако коммерчески доступное оборудование для циклирования низкотемпературных батарей обычно дорогостоящее, что препятствует проведению исследований циклов при низких температурах на многих предприятиях. Ниже приведена простая и экономичная конструкция температурной камеры, которую легко собирать и быстро реализовывать. Такая конструкция обеспечивает надёжный контроль температуры для четырёх монетных ячеек 2032 в условиях низкой влажности, тем самым снижая проблемы с коррозией и конденсацией. Данные электрохимических циклов демонстрируют эволюцию ёмкости ячеек при T = 0 ± 1 °C в течение 100 циклов при C-скорости C/7. В текущей конструкции температуру можно снизить до -5 °C, а небольшие модификации позволили бы достигать ещё более низких температур. Кроме того, эту конструкцию можно легко адаптировать для размещения других типов батарей или увеличения количества измеряемых образцов.

Введение

По мере того как мир становится всё более электрифицированным, аккумуляторы играют ключевую роль в обеспечении энергией наших устройств. От питания электромобилей до хранения энергии для возобновляемых источников энергии на уровне сети, становится всё более важным разрабатывать аккумуляторы с высокой производительностью в широком диапазоне^{климатов 1,2}. Производительность батареи часто снижается в холодных условиях, что требует дополнительных исследований, сосредоточенных на исследованиях низкотемпературных^{батарей 3,4}. Однако коммерчески доступное оборудование для циклирования аккумуляторов при низких температурах обычно дорогостоящее, что препятствует проведению таких исследований в исследовательских учреждениях, которые обычно не сосредоточены на экспериментах, не связанных с окружающей средой.

Многие батарейные приложения должны понимать поведение низких температур только при умеренных температурах, приближающихся к 0 °C или немного^{ниже 5}. Несмотря на этот ограниченный температурный диапазон, аккумуляторы продолжают демонстрировать значительное снижение общей ёмкости, производительности и характеристик зарядки при низких^{температурах 6,7}. Например, коммерческие литий-ионные батареи поддерживают только 10% ёмкости комнатной температуры при −40 °^{C 8,9}. Все компоненты ячейки, включая катод, анод и электролит, имеют задокументированные эффекты при неокружающих^{температурах 6,7,10}. Эта проблема становится всё более актуальной из-за недавнего появления электромобилей и затрудняет использование перезаряжаемых аккумуляторов в странах с морозным^{зимним климатом 11,12}. Производительность батареи в холодной погоде может быть оптимизирована только при углублении понимания сложных процессов, происходящих при низких температурах.

Батарейки на монетных элементах часто используются для питания небольших портативных электронных устройств благодаря их компактной конструкции. Их также часто применяют в исследовательских лабораториях для тестирования новых химических характеристик батарей и общей производительности устройств. Монетные ячейки легко собирать и они недорогие, что позволяет исследователям быстро тестировать новые прототипы перед увеличением размеров на более крупные, сложные и дорогие аккумуляторные блоки. Их небольшие размеры также позволяют легко помещаться в оборудование для пробы при низкотемпературных условиях, что позволяет проводить действительно как оперативные, так и локальные исследования. Поэтому монетные ячейки являются отличным выбором для термозависимых исследований аккумуляторов, и существует явная необходимость в доступной камере при низкой температуре (≈ 0 °C), специально разработанной для тестирования батарей с монетными элементами^{без окружающей среды 13}. Коммерческие жилые холодильники легко обеспечивают низкие температуры, необходимые для таких экспериментов, но отсутствие регулирования влажности вызывает проблемы с коррозией и затрудняет точность измерений. Специализированное коммерческое оборудование обычно предназначено для крупных лабораторий исследований аккумуляторов, часто измеряя десятки или сотни аккумуляторов одновременно. Это оборудование дорого и может быть слишком дорогим для исследовательских лабораторий с ограниченным бюджетом.

Здесь мы рассказываем о простой, экономичной конструкции камеры с низкими температурами, которую легко собирать и быстро реализовывать, что позволяет проводить дополнительные исследования низкотемпературных аккумуляторов. Такая конструкция обеспечивает надёжный контроль температуры для четырёх монетных ячеек 2032 в условиях низкой влажности, снижая коррозию и проблемы с конденсатом. Он предоставляет экономичную альтернативу коммерческому оборудованию для контроля температуры, которое можно реализовать в небольших исследовательских лабораториях. Простой дизайн можно легко собрать менее чем за неделю с минимальным использованием обработки, доступных готовых деталей, а также некоторых индивидуальных деталей, которые можно изготовить с помощью 3D-принтера с использованием предоставленных файлов. Общая стоимость составляет около 870 долларов США, но учитывая, что многие из этих материалов широко доступны и, возможно, уже присутствуют в исследовательских лабораториях, общая стоимость этого устройства может быть значительно ниже в производстве. Прилагается пошаговое руководство по сборке системы.

Эффективность конструкции продемонстрирована при циклировании операндо-гальваностатического цикла при температуре без окружающей среды (0 °C) и доказана как пригодная для длительного циклирования в течение нескольких месяцев. Также показаны характеристики контроля температуры и 3D-изображение распределения температуры внутри камеры. Хотя результаты здесь не представлены, камера также может использоваться для дополнительных операндо-электрохимических экспериментов, включая циклическую вольтамметрию и спектроскопию электрического импеданса. Обсуждаются модификации этой конструкции для более широкого спектра операционных измерений, а также потенциал расширения температурного диапазона камеры.

Основные задачи этой температурной камеры — надёжный контроль температуры при ограничении конденсации, что позволяет циклировать четыре элемента монет 2032 в таких условиях. Первичное охлаждение достигается с помощью коммерческого мини-холодильника, но изменения температуры могут быть ненадёжными для экспериментальных целей. Поэтому в этой конструкции используется контроллер включения-выключения, управляющий двумя термоэлектрическими модулями для дополнительного регулирования небольшой герметичной камеры, обработанной из ацетальной смолы. Радиаторы и вентиляторы рассеивают тепло, позволяя термоэлектрическим модулям поддерживать небольшую разницу температур. Проводники, расположенные на крышке, позволяют пройти через неё восемь проводов для перезарядки батареи. Схематическое представление поперечного сечения конструкции представлено на рисунке 1A.

Рисунок 1: Температурная камера. (A) Иллюстрация низкотемпературной камеры с маркировкой компонентов. (B) Температурная камера в виде собрания. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Протокол

1. Изготовление камеры

1. Компоненты для 3D-печати
   1. Трехмерная печать всех STL-файлов в дополнительном файле 1 (Gasket Jig.stl, Heat Speaker Clamp.stl, On-Off Mount.stl, Protoboard Mount.stl, Wire to Alligator Converter.stl, Wiing Station Bottom.stl и Wiing Station Top.stl), кроме файлов Chamber.stl и Chamber Lid.stl, используя полимолочную кислоту (PLA).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Инструкции по печати включены в Дополнительный файл 2. Для первой части этого протокола детали из Таблицы материалов будут выделены курсивом, а 3D-печатные детали получат расширение (.stl).
2. Фрезерование главной камеры, крышки и радиаторов
   1. Фрезеруйте блок ацетальной смолы для запаса блоков размером 4" × 3,5" × 1,5" и 1,45" × 1,45" × 1,125".
      ВНИМАНИЕ: Обработка может быть опасной и привести к травмам. Этапы, связанные с обработкой в рамках этого протокола, должны выполняться только квалифицированными специалистами.
   2. Используйте компьютерное числовое управление (CNC) или ручной фрезерный станок для создания основной камеры и крышки, как показано в файлах Chamber.stl и Chamber Lid.stl в дополнительном файле 1.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Крышка должна быть обработана для герметичной посадки. Для лучшего уплотнения можно добавить уплотнительное кольцо.
   3. Разрежьте радиатор на два профиля 4" на 3,5".
   4. Просверлите отверстия согласно файлу отверстия Layout.pdf в дополнительном файле 1.
   5. Просверлите отверстия в ребрах радиатора, чтобы освободить место для головок винтов крышек.
   6. Вкрутите болт размером 1/4"-20 x 1" в верхнюю часть крышки. Этот затвор облегчает снятие крышки из патронника.
   7. Продвините четыре держателя аккумулятора через ползунок проводки аккумуляторов, а затем через крышку. Убедитесь, что каждая вкладка держателя батареи находится в положении «ВКЛЮЧЕНО».
   8. Нанесите силикон во все проволочные отверстия, входящие в крышку, и дайте застыть.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Любые химические отходы, образующиеся в ходе этой процедуры, должны утилизироваться в соответствии с рекомендациями производителя и техническими характеристиками по безопасности материалов.
3. Сборка электроники
   ВНИМАНИЕ: Электрические опасности. Все электрические работы должны выполняться квалифицированным специалистом.
   1. Подключите все проводки на рисунке 2 , кроме термоэлектрических модулей и вентиляторов на 12 В. Они будут связаны позже.
   2. Припаять 12 В и заземляющие линии к блоку питания к двухпроводному разъёму.
      ВНИМАНИЕ: Опасности пайки включают термические травмы и опасность вдыхания. Работы должны выполняться только обученным специалистом в хорошо проветриваемом помещении.
4. Сборка камеры
   1. Создайте прокладки, сначала вырезав материал прокладки с помощью режущего инструмента и прокладки Jig.stl (Дополнительный файл 1), чтобы получить две прокладки. Приложите лёгкое давление, чтобы не вытащить прокладку из-под шаблона и не резать слишком сильно.
   2. Вставьте прокладку в один из боковых карманов основной камеры, чтобы она была ровно в кармане.
   3. Проведите провода термоэлектрического модуля через боковые отверстия в основной камере так, чтобы пронумерованная (холодная) сторона термоэлектрических модулей была обращена внутрь.
   4. Нанесите тонкий, но полный слой термосмазки на термоэлектрическую сторону без нумерации (горячей).
   5. Приложите тонкое кольцо силикона к камере снаружи термоэлектрического модуля.
   6. Аккуратно поставьте радиатор поверх основной камеры. Вкрутите крышки размером 1/4"-20 x 1" В радиаторах в основную камеру для сжатия силикона. Это создаёт герметичное уплотнение. Удалите лишний силикон.
   7. Повторяйте с обеих сторон. Дождитесь, пока силикон затвердеет.
   8. Покройте нижнюю часть крышки камеры тонким слоем вакуумной смазки и вставьте её в камеру.
   9. Вставьте термопару для даталогинга и термопару контроллера ON/OFF в соответствующие отверстия в боковой части камеры.
   10. Нанесите силикон во все отверстия провода, входящие в камеру, и дайте застыть.
   11. Поставьте два вентилятора по 12 В по обе стороны радиаторов, чтобы они подавались в радиаторы. Используйте три длинных стяжки, чтобы затянуть вентиляторы, как показано на рисунке 1B.
5. Сборка креплений и проводка
   1. Прикрепите Switch Mount.stl и Protoboard Mount.stl в дополнительном файле 1 к печатям зажима радиатора с помощью мгновенного клея.
      ВНИМАНИЕ: Химическая опасность. Используйте все химикаты, как указано производителем.
   2. Установите крепления на верхний ряд радиаторов. Разместите Protoboard, выключатель ON/OFF, контроллер и изоляционный материал на соответствующих местах на креплениях. Убедитесь, что переключатель ON/OFF удерживается в крепящем положении с помощью двусторонней ленты. Используйте кусок плексигласа или любой другой изоляционный материал и вставьте его в Protoboard Mount.stl над прототипной платой, чтобы предотвратить случайное короткое замыкание.
   3. Используя набор Male/Female Crimp, обжимите мужские разъёмы на проводах каждого держателя аккумулятора. Используйте провода калибра 22 AWG и разъёмы, чтобы подключить провода туда, где они нужны. Рекомендуется использовать плоскогубцы с игольчатым носом для удержания мужской стороны при разделении этих разъёмов, чтобы избежать избыточной нагрузки на сами провода.
   4. Используйте 3D-печати Wireing Station Bottom и Top.stl (Дополнительный файл 1), чтобы организовать провода.
   5. Используйте разъёмы Spade и провод Converter to Alligator Converter.stl 3D-печать (дополнительный файл 1), чтобы обеспечить соединение типа аллигатора к ячейкам.
6. Окончательная сборка
   1. После организации проводов припаяйте соединения для термоэлектрических модулей и вентиляторов на 12 В. Камера теперь полностью собрана.

Рисунок 2: Схема электрической схемы для управления системой охлаждения камеры. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

2. Использование камеры

1. Управление камерой
   1. Чтобы охладить камеру до нужной температуры, выключите термоэлектрические модули ручным переключателем ON/OFF. Подключите к блоку питания.
   2. Установите контроллер в режим охлаждения. Установите желаемую температуру на 0 °C, а разницу включения — 0,1 °C. Установите диапазон температур от -55 °C до 24°C, чтобы предотвратить сильный перегрев или переохлаждение в исключениях.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Отрегулируйте температуру в холодильнике так, чтобы она была чуть теплее (~2 °C) желаемой. Температура холодильника должна быть выше желаемой для контроллера ON/OFF, чтобы поддерживать желаемую температуру, но температура не должна быть слишком высокой, иначе термоэлектрические модули не смогут достичь нужной температуры.
2. Температура логирования
   1. Подключите термопару для даталогинга к термометру и поместите камеру в холодильник.
   2. Настройте термометр на бесконечный режим и фиксируйте температуру каждые несколько секунд в течение 24 часов.
      ПРИМЕЧАНИЕ: При правильной работе температура в камере не должна колебаться более ± 1 °C.
   3. Когда готовы начать охлаждение, включите ручной выключатель ВКЛ/ВЫКЛЮЧЕНИЕ. Камера готова к использованию.
3. Открытие камеры и добавление батареи
   ПРИМЕЧАНИЕ: Если аккумуляторы активно измеряются, необходимо проводить замену образцов быстро, чтобы предотвратить значительные перепады температуры и уменьшить конденсат на батареях. Во время работы над основной крышкой временная крышка может быть напечатана 3D-принтером для замены основной крышки при замене образцов с помощью Temp Lid.stl, содержащегося в дополнительном файле 3.
   1. Чтобы открыть камеру для добавления или извлечения батарей, положите отвёртку на нижнюю сторону болта крышки. Используя внешний край как точку опоры, нажмите на ручку отвертки. Когда крышка ослабла, вытащите её вручную и положите на ровную поверхность или используйте Lid Holder.stl из дополнительного файла 3 , чтобы 3D-печатать держатель крышки. Замените крышку камеры на временную.
   2. Откройте держатели для замены и поместите монетную ячейку внутрь.
   3. Снимите временную крышку, а затем пакетик силикагеля внутри камеры. Уберите влагу тряпкой и положите пакетик силикагеля в камеру, чтобы лучше впитать лишнюю влагу.
   4. Поставьте основную крышку и поставьте камеру обратно в холодильник.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Температура внутри камеры может восстановить равновесие до 2 часов.
4. Operando cycleing при низкой температуре
   1. Проведите циклические эксперименты после достижения желаемой температуры.
   2. Продолжайте фиксировать температуру, чтобы камера оставалась на нужной температуре.

Результаты

Производительность камеры проверялась тремя способами: (1) измерение температурных градиентов по всей камере, (2) мониторинг температуры в течение 24 часов после первоначального строительства и 168 часов после 7 месяцев использования, и (3) сбор данных цикла для литий-ионных батарейных батарейных элементов в течение 100 циклов или ~3 месяцев. Эти результаты, описанные ниже, демонстрируют, что камера способна поддерживать постоянную температуру в течение нескольких месяцев со средним колебанием температуры менее 0,75 °C, что приводит к стабильному электрохимическому циклическому циклу.

Рисунок 3: Трёхмерная температурная зависимость холодной камеры. Плоскость YZ — это плоскость, изображённая на рисунке 1. Был создан индивидуальный двухосевой регистратор температуры, который можно было использовать внутри мини-холодильника. Каждая точка данных представляет собой уникальное измерение температуры, что приводит к общему колебанию температуры по всей камере ± 0,4 °C. Дополнительное описание сбора и анализа данных приведено в Дополнительном файле 2. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Градиент температуры:
Колебания температуры по всей камере были относительно стабильными и варьировались всего ± 0,4 °C, как показано на рисунке 3. Вариация показала немного более тёплый объём ближе к нужному термоэлектрическому модулю, что могло быть связано с вариацией самих модулей или объёмом подаваемой мощности на каждый из них.

Поверхность термоэлектрических модулей стабильно была на несколько градусов холоднее воздуха поблизости, поэтому важно было убедиться, что держатели аккумуляторов не контактируют с модулями, для точного управления температурой. Использование направляющей для выравнивания держателя аккумулятора снижало вероятность контакта между держателями и модулями.

Рисунок 4: Изменение температуры со временем. (A) Начальное распределение температуры вскоре после строительства показывает колебания ± 0,13 °C при измерении каждые 10 с в течение 24 часов. (B) После 7 месяцев использования распределение температуры измерялось каждые 10 с в течение 1 недели, что приводило к колебанию ± 0,75 °C std. Более подробная информация о сборе данных и сглаживании по Гауссу приведена в Дополнительном файле 2. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Мониторинг температуры:
Среднее изменение температуры измерялось каждые 10 секунд в течение 168 часов после 7 месяцев использования и видно стабильным в этот период на рисунке 4. Блочная природа данных на рисунке 4B , вероятно, связана с быстрыми колебаниями температуры. При необходимости для уменьшения этих колебаний можно использовать более сложный метод управления. Средняя температура изначально колебалась на ± 0,13 °C, как показано на рисунке 4A, но за 7 месяцев увеличилась до ± 0,75 °C, как показано на рисунке 4B. Это может быть признаком того, что камера становится более нестабильной со временем, но также может быть связано с другими факторами, например, повышением температуры окружающей среды в лаборатории. Тем не менее, стабильность температуры со временем значительна, и такой уровень контроля температуры обычно достаточн для большинства исследований аккумуляторов при низкотемпературных батареях. Дополнительные сведения о характеристике температуры внутри камеры приведены в дополнительном файле 2.

Рисунок 5: Эволюция ёмкости аккумулятора за 100 циклов. (A) Циклическая обработка данных с использованием циркулирующей ванной системы для контроля температуры. Наблюдались значительные различия в ёмкости из-за колебаний температуры и проблем с коррозией, вызванных конденсатом на батареях. (B) Циклическая обработка данных с использованием специализированной камеры низкотемпературной камеры, представленной в этой статье, демонстрируя значительно меньше шума. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Данные электрохимических циклов:
Для проверки эффективности камеры при поддержании температуры во время испытаний аккумуляторов были проведены галваностатические циклические испытания на четырёх коммерчески доступных аккумуляторах 2032 года с литий-ионными монетными элементами. Эти монетные ячейки прорабатывались при 0 ± 1 °C с курсом C/7 в течение 100 циклов, что заняло ~3 месяца. Результаты показаны на рисунке 5B. Эти данные сравниваются с предыдущим поколением температурных камер, которые использовали камеру из алюминия, изолированную пенопластом, с циркулирующей ванной с антифризовым раствором. Метод циркулирующей ванны приводил к значительным отклонениям в ёмкости измеряемых элементов, как показано на рисунке 5A, и приводил к коррозии батарейных элементов при повторном циклировании. Новая конструкция камеры, представленная здесь, демонстрирует значительное улучшение ёмкости измеренных ячеек, отмеченное повышением температурной стабильности, отсутствием коррозии ячеек и значительным снижением шума в данных.

Правильная работа камеры определяется постоянной температурой с незначительными колебаниями и электрохимическими данными, свободными от необъяснённых или внезапных изменений, таких как нестабильное напряжение или резкие увеличения и уменьшения ёмкости ячеек. После первоначальной сборки и включения камеры рекомендуется фиксировать температуру в камере в течение 24 часов до нескольких дней, чтобы избежать постепенного повышения или понижения температуры, что могло бы указывать на необходимость регулировки настроек холодильника для оптимизации отвода тепла.

Дополнительный файл 1: STL-файлы для 3D-печати. Файлы включают Gasket Jig.stl, Heat Radiator Clamp.stl, On-Off Mount.stl, Protoboard Mount.stl, Wire to Alligator Converter.stl, Wiing Station Bottom.stl, Wiing Station Top.stl, Chamber.stl и Chamber Lid.stl. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.

Дополнительный файл 2: Инструкции по печати и характеристика температуры. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.

Дополнительный файл 3: STL-файлы для 3D-печати основной крышки и держателя крышки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.

Обсуждение

Ключевые шаги:
В протоколе есть несколько этапов, критически важных для обеспечения правильной работы холодной камеры. Следует быть осторожным с проводными соединениями, так как они необходимы для правильной работы схемы и обеспечения точного сбора данных. Неисправные соединения проводки могут приводить к нестабильным показаниям напряжения, и их можно избежать, используя вольтметр для проверки проводов перед установкой монетных элементов в камеру.

Утечки воздуха следует избегать, так как они пропускают дополнительную влагу в камеру, которая может конденсироваться на элементах и вызвать коррозию. Точная обработка крышки и других отверстий, а также аккуратная герметизация материалом прокладки и смазкой помогут обеспечить долгосрочную надёжность и производительность камеры. Если камера не герметична, конденсат на элементах может привести к коррозии, которая обычно характеризуется нестабильной работой ячеек, например, резким увеличением или уменьшением ёмкости ячеек, а при извлечении из держателей ячеек они могут казаться протекающими или изменёнными цветом.

Наконец, важно обеспечить точную калибровку и правильное позиционирование термопары перед её запечатыванием в камеру для надёжной фиксации температурных показателей камеры.

Модификации:
Хотя эта температурная камера специально разработана для экспериментов с монетными ячейками 2032 года при 0 °C, этот общий дизайн может быть модифицирован и оптимизирован для широкого спектра экспериментов с аналогичными экологическими требованиями. Держатели клеток для клеток 2032 легко можно было бы заменить на ячейки для разных ячеек. Разные геометрии батарей (например, цилиндрические, подсумки) также могут быть реализованы за счёт замены держателей аккумуляторов, но может потребоваться увеличение размеров патронника. Камера могла бы достигать более низких температур за счёт увеличения мощности термоэлектрических модулей до более чем 12 В. Термоэлектрические модули, используемые в этой конструкции, рассчитаны на охлаждение до -40 °C. Однако потребуется улучшенное рассеивание тепла, а также испытания для оценки температурных градиентов внутри камеры и обеспечения правильной работы всех компонентов при этой пониженой температуре. Печатная плата могла использоваться как для ведения данных в журнале, так и для управления термоэлектрическими модулями, чтобы устранить необходимость в двух термопарах. Наконец, если камера используется преимущественно для контроля влажности, а точный контроль температуры не является проблемой, конструкция крышки и камеры можно использовать без термоэлектрических модулей, системы управления и компонентов для рассеивания тепла.

Устранение неполадок:
Из-за простого дизайна большинство потенциальных проблем должно быть относительно простым для устранения. Коррозия аккумуляторов, скорее всего, указывает на утечку воздуха, и первым делом должно стать герметизация всех отверстий. Шумные данные о циклах батареи, скорее всего, указывают на проблему с проводкой или плохой физический контакт с держателями аккумуляторов, что можно исправить, улучшив соединения. Это также может быть признаком образования конденсата на ячейках, что может привести к коррозии, поэтому систему следует проверить на герметичность. Невозможность достичь желаемой температуры может быть вызвана множеством факторов, таких как неправильное нанесение термосмазки, попытки достичь желаемой температуры за пределами диапазона термоэлектрических модулей, недостаточный ток и напряжение, подаваемые модулями, или неэффективное рассеивание тепла.

Ограничения:
Основным ограничением такой конструкции камеры является необходимость вытащить все четыре батареи для устранения любой из них. Это приводит к тому, что все четыре батареи подвергаются воздействию других условий, когда их нужно вытащить. Эту проблему сложно устранить с помощью текущего дизайна. Ещё одно ограничение — если термоэлектрические модули теряют мощность, температура в камере быстро повышается. Поэтому крайне важно обеспечить потерю питания модулей. Использование бесперебойного источника питания и/или резервного генератора для предотвращения нежелательных перепадов температуры может быть полезным, если есть проблемы с отключением электроэнергии.

Важность:
Аккумуляторы продолжают страдать от значительно снижения производительности при низких температурах, что делает их всё более важными для новых исследований этой проблемы. Эта конструкция температурной камеры была специально разработана для работы аккумуляторов 2032 монетных элементов при низкой температуре с ограничением конденсации и коррозии. Ещё одной ключевой целью было создание конструкции, которая будет экономичной и простой в сборке. Специально разработанные коммерческие альтернативы этой конструкции обычно дорогие, а другие недорогие варианты, например стандартный холодильник, не полностью предотвращают конденсация и могут проявлять повышенные температурные^{колебания 2,3,14}. Таким образом, такая конструкция может стать недорогим и быстрым в реализации вариантом для исследователей, желающих проводить исследования циклирования батарей при низких температурах, не перегружая свои исследовательские бюджеты.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье

Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
Винты с крышками размером 1/4"-20 x 1"	Грейнджер	4XE35	нужно 9; 8 для радиаторов, 1 для крышки
Вентиляторы 12 V	Digikey	2223-CFM-9225C-130-356-ND	нужно 2; используется для циркуляции воздуха к радиаторам
Переменный ток на 12 В 10 А разъём	Digikey	AD-EL-1201200-Z	преобразование энергии от стены
Ацетальная смола	МакМастер	8575K148	Приклад 1,5" x 6" x 6"
Держатели батарей	Digikey	36-1086-ND	нужно 4; 2 дополнительных
Ползунок проводки аккумуляторов	Н/Д	Н/Д	3D-печать из PLA
Термопара для даталогинга	ExTech	872501-S	Можно заменить предпочтительную термопару
Электронный совет по разработке	Адафрут	3000	см. Дополнительный файл 2
Электронная система регистрации журналов в темепратуре	Arduino	A000066	см. Дополнительный файл 2
Холодильник	Волшебный шеф	MCR170BE	Можно заменить стандартным холодильником
Прокладочный джиг	Н/Д	Н/Д	3D-печать из PLA
Материал прокладки	МакМастер-Карр		5542N125
Радиатор	Digikey	345-127709-ND	нужен 1; Разрезать на 2 радиатора
Зажим радиатора	Н/Д	Н/Д	3D-печать из PLA
Мгновенный клей	Локтайт	234790	Также известный как Суперклей
Держатель для крышки	Н/Д	Н/Д	3D-печать из PLA
Длинный пластиковый стяжка	Digikey	2162-AL-14-50-0-C-ND	Пачка из 100, нужно 4 или меньше
Мужско-женский набор для обжимов	Мышь	474-PRT-10501	Нужно 8, нужно получить ещё 4 запасных.
Контроллер ВКЛЮЧЕНИЕ/ВЫКЛЮЧЕНИЕ	Amazon	7.38587E+11	Пачка из 2 человек
Питание к двухпроводному разъёму	Digikey	CP-024A-ND	нужен 1
Протоборд	Адафрут	1609	нужен 1
Крепление протоборда	Н/Д	Н/Д	3D-печать из PLA
Короткая зип-стяжка	Southwire	BL4M2-C	Пачка из 100 человек
Силикагель	МакМастер	2189K14	используется для поглощения дополнительной влаги
Силикон	Локтайт	908570	Нужно очень мало
Разъёмы лопат	МакМастер	7060K79	Нужно 8, нужно взять запасные.
Многожильные провода AWG на 22	Адафрут	3175	Предпочитаемая проводка может быть заменена
Крепление для переключателя	Н/Д	Н/Д	3D-печать из PLA
Временная крышка	Н/Д	Н/Д	3D-печать из PLA
Термическая смазка	Уэйкфилд	120-5	Нужно очень мало
Термоэлектрические модули	DigiKey	102-1682-ND	нужно 2; Производитель #: CP85438
Термометр	ExTech	EA15	Можно заменить на предпочтительный термометр
Вакуумная смазка	DuPont	2708493	Нужно очень мало
Преобразователь провода в аллигатор	Н/Д	Н/Д	3D-печать из PLA
Нижняя часть электропроводки	Н/Д	Н/Д	3D-печать из PLA
Верхняя часть электропроводной станции	Н/Д	Н/Д	3D-печать из PLA