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

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, демонстрирующие высокую производительность в самых разных климатических условиях. Производительность батареи часто снижается в холодных условиях, что требует дополнительных исследований, направленных на исследование батарей при низких температурах.

Однако коммерчески доступное оборудование для циклирования батарей при низких температурах обычно дорогостоящее, что не позволяет проводить такие исследования в исследовательских учреждениях, не ориентированных на эксперименты вне окружающей среды. Здесь мы рассказываем о простой и экономичной конструкции температурной камеры, которую легко собирать и быстро реализовывать, что позволяет проводить дополнительные исследования низкотемпературных аккумуляторов. Такая конструкция обеспечивает надёжную температуру четырёх монетных ячеек 2032 в условиях низкой влажности, снижая коррозию и проблемы с конденсатом.

В этом протоколе мы пройдём основные этапы производства камеры, прежде чем продемонстрировать, как её использовать. Дополнительные инструкции приведены в полном тексте. Во-первых, напечатайте на 3D-принтере все дополнительные файлы STL, кроме накопителей камеры и крышки камеры, используя PLA.

Во-вторых, пофрезеруйте блок смолы ацетола до указанных размеров. Мы используем ЧПУ или ручной фрезерный станок, чтобы создать основную камеру и крышку, чтобы показать дополнительные напильники камеры и крышки камеры. Также подрежьте радиаторы по размеру и просверлите сквозные отверстия согласно файлу планировки отверстия.

Теперь у вас должны быть все детали, требующие ремонтной мастерской. Продвините четыре держателя аккумулятора через ползунок проводки аккумулятора, а затем через крышку. Убедитесь, что каждая вкладка держателя батареи находится в положении «включено».

Соедините всю проводку на рисунке 2, кроме термоэлектрических модулей и вентиляторов на 12 вольт. Они будут связаны позже. Припаяйте 12-вольтовые и заземляющие линии к блоку питания к двухпроводному разъёму.

Создайте прокладки, сначала разрезав материал прокладки с помощью режущего инструмента и шаблон прокладки, чтобы сделать две прокладки. Приложите лёгкое давление, чтобы не вытащить прокладку из-под шаблона и не резать слишком сильно. Поместите прокладку в один из боковых карманов основной камеры так, чтобы она была ровно в кармане.

Пропустите провода термоэлектрического модуля через боковые отверстия в главной камере так, чтобы нумерованная холодная сторона термоэлектрических модулей была обращена внутрь. Нанесите тонкий, но полный слой термосмазки на термоэлектрическую, ненумерованную горячую сторону. Приложите тонкое силиконовое кольцо к камере снаружи термоэлектрического модуля.

Аккуратно поставьте радиатор поверх основной камеры. Прикрутите радиаторы в основную камеру, чтобы выжать силикон. Это создаёт герметичное уплотнение.

Удалите лишний силикон. Повторяйте с обеих сторон. После того как крышка и термопары вставляют в камеру, установите два вентилятора по 12 вольт по обе стороны радиаторов.

Ориентируйте её так, чтобы дуть в радиаторы. Используйте три длинных стяжки, чтобы затянуть вентиляторы на месте. Крепление переключателя и крепления протоплаты приклейте к зажимам радиатора мгновенным клеем.

Установите крепления на верхний ряд радиаторов. Разместите прототипную плату, выключатель, контроллер и изолированный материал на соответствующих местах на креплениях. После организации проводов припаяйте соединения термоэлектрических модулей и вентиляторов на 12 вольт.

Камера теперь полностью собрана. Чтобы охладить камеру до нужной температуры, отключите термоэлектрические модули с помощью ручного выключателя. Установите контроллер в режим охлаждения.

Установите желаемую температуру на 0 градусов Цельсия и разницу выключения на 0,1 градуса Цельсия. Установите диапазон температур от минус 55–24 градусов Цельсия, чтобы предотвратить сильный перегрев или переохлаждение в выбросах. После подключения термопары для записи данных к термометру и установки камеры в холодильник включите выключатель обратно.

Камера готова к использованию. 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, вытяните её рукой и положите на ровную поверхность или в предоставленный 3D-печатный держатель для крышки, а затем замените временной крышкой. Откройте держатели для аккумуляторов, которые хотите заменить, и вставьте монетную ячейку внутрь. Снимите временную крышку, а затем пакетик силикагеля внутри камеры.

Уберите влагу тряпкой и положите пакетик силикагеля в камеру, чтобы лучше впитать лишнюю влагу. Замените основную крышку. Температура внутри камеры может восстановить равновесие до двух часов.

Для оценки надёжности камеры при поддержании постоянной температуры 0 градусов Цельсия её характеристики тестировались тремя способами. Сначала мы использовали автоматический регистратор температурных данных для измерения температурных градиентов по всей камере. Колебания температуры по всей камере были постоянными и составляли всего 4 градуса Цельсия.

Во-вторых, стабильность температуры в недавно собранной камере отслеживалась в течение одного дня, при этом колебание температуры составляло 13 градусов Цельсия. Для проверки долгосрочной эффективности, после семи месяцев использования устройства было проведено недельное измерение, которое показало небольшое снижение температуры на 75 градусов Цельсия. Наконец, четыре литий-ионных элемента 2032 были обработаны 100 раз в течение трёх месяцев.

Данные циклирования показывают стабильную производительность и низкий уровень шума на протяжении всего эксперимента. Эти результаты демонстрируют, что камера может поддерживать постоянную температуру, что позволяет надёжно проводить эксперименты с низкотемпературным электрохимическим циклом. Здесь мы представили простой дизайн, обеспечивающий экономичный цикл батарей при низкотемпературных батареях для монетных ячеек 2032 года в условиях низкой влажности.

Тест на производительность показал, что это устройство демонстрирует надёжную долгосрочную работу при колебаниях температуры менее одного градуса Цельсия.