Düşük Sıcaklık Operando Deneyleri İçin Madeni Para Hücresi Batarya Odası Tasarımı

Özet

2032 coin hücrelerinin düşük nemli bir ortamda maliyet etkin düşük sıcaklıkta pil döngüsünü mümkün kılan bir tasarım sunuluyor. Hücreler, termoelektrik modüllerle soğutulan bir odada 0 °C'de döngüye girer. Bu basit tasarım, benzer termal ve nem kontrollü ortamlar veya farklı batarya geometrileri gerektiren deneyler için uyarlanabilir.

Özet

Cihazlarımızı çalıştıran şarj edilebilir pillere daha bağımlı hale geldikçe, soğuk hava ortamlarında gerçekleşen kapasite ve performans düşüşlerini anlamak giderek daha önemli hale geliyor. Pillerin düşük sıcaklıklarda döngü performansına odaklanan araştırmalar, gelişmiş pillerin tasarımı ve optimizasyonuna rehberlik etmek için gereklidir. Ancak, ticari olarak mevcut düşük sıcaklıklı batarya döngü ekipmanları genellikle pahalıdır ve bu da birçok tesiste düşük sıcaklık bisiklet araştırmalarının yapılmasını engeller. Aşağıda, kolayca monte edilip uygulanabilen basit ve maliyet etkin bir sıcaklık odası tasarımı verilmiştir. Bu tasarım, düşük nemli ortamlarda dört adet 2032 coin hücresi için güvenilir sıcaklık kontrolü sağlar ve böylece korozyon ve yoğuşma sorunlarını azaltır. Elektrokimyasal döngü verileri, 100 döngü boyunca C/7 C-hızında T = 0 ± 1 °C hücre kapasitesinin evrimini göstermektedir. Mevcut tasarımda sıcaklık -5 °C'ye düşürülebilir ve küçük değişiklikler daha da düşük sıcaklıklara izin verir. Ayrıca, bu tasarım diğer pil türlerine de kolayca uyarlanabilir veya ölçülen örnek sayısını artırabilir.

Giriş

Dünya giderek elektriklendikçe, piller cihazlarımızı enerji sağlamada kilit bir rol oynuyor. Elektrikli araçlarımızı güçlendirmekten, şebeke düzeyinde yenilenebilir enerji kaynakları için enerji depolama sağlamaya kadar, çok çeşitli iklimlerde yüksek performans sergileyen piller geliştirmek giderek daha önemli^{hale geliyor 1,2}. Soğuk hava ortamlarında pil performansı genellikle düşer, bu da düşük sıcaklık batarya araştırmalarına odaklanan daha fazla araştırma gerektirir ^3,4. Ancak, ticari olarak mevcut düşük sıcaklık batarya döngüsü ekipmanları genellikle pahalıdır ve bu çalışmaların genellikle ortam dışı deneylere odaklanmayan araştırma tesislerinde yapılmasını engeller.

Birçok pil uygulaması, 0 °C veya biraz daha^{düşük 5} sıcaklıklarda düşük sıcaklık davranışını anlaması yeterlidir. Bu sınırlı sıcaklık aralığına rağmen, piller düşük sıcaklıklarda genel kapasite, performans ve şarj özelliklerinde önemli düşüşler^{göstermeye devam ediyor (6,7}). Örneğin, ticari Li-ion piller oda sıcaklığı kapasitelerinin sadece %10'unu −40^{°C 8,9'da} korur. Hücrenin tüm bileşenleri, katod, anot ve elektrolit dahil, çevresel olmayan^{sıcaklıklar olan 6,7,10'da} etkileri belgelenmiştir. Bu konu, elektrikli araçların son zamanlarda ortaya çıkması ve soğuk kış iklimlerine sahip ülkelerde şarj edilebilir pillerin kullanımını engellemesi nedeniyle giderek daha önemli hale geliyor^11,12. Soğuk hava ortamlarında pil performansı, ancak düşük sıcaklıklarda gerçekleşen karmaşık temel süreçleri daha iyi anlarsak optimize edilebilir.

Madeni para hücresi pilleri, kompakt tasarımları nedeniyle küçük taşınabilir elektronik cihazları çalıştırmak için yaygın olarak kullanılır. Ayrıca araştırma laboratuvarlarında yeni pil kimyalarını ve genel cihaz performansını test etmek için sıkça kullanılırlar. Madeni para hücreleri kolayca monte edilir ve düşük maliyetlidir; bu da araştırmacıların yeni prototipleri daha büyük, karmaşık ve pahalı pil paketlerine ölçeklendirmeden önce hızla test etmesini sağlar. Küçük boyutları sayesinde düşük sıcaklık örnek ortamı ekipmanlarına kolayca sığmalarını sağlar; bu da gerçekten operando ve yerinde incelemelere olanak tanır. Bu nedenle, madeni para hücreleri sıcaklığa bağlı pil çalışmaları için mükemmel tercihlerdir ve özellikle ortam dışı madeni para hücresi batarya testleri için tasarlanmış uygun fiyatlı düşük sıcaklık (≈ 0 °C) bir odaya açık bir ihtiyaç^{vardır 13}. Ticari konut buzdolapları bu deneyler için gereken düşük sıcaklıkları kolayca sağlayabilir, ancak nem düzenlemesinin eksikliği korozyon sorunlarına yol açar ve ölçümlerin doğruluğunu engeller. Özel ticari ekipmanlar genellikle büyük ölçekli batarya araştırma laboratuvarları için özel olarak tasarlanır ve genellikle aynı anda onlarca veya yüzlerce pil ölçülür. Bu ekipman pahalıdır ve daha küçük bütçeli araştırma laboratuvarları için maliyetli olabilir.

Burada, montajı kolay ve hızlı uygulanabilen, daha fazla düşük sıcaklık pil araştırması yapılmasına olanak tanıyan, basit, maliyet verici, düşük sıcaklık odası tasarımı sunuyoruz. Bu tasarım, düşük nemli bir ortamda dört adet 2032 coin hücresi için güvenilir sıcaklık kontrolü sağlayarak korozyon ve yoğuşma sorunlarını azaltır. Küçük araştırma laboratuvarlarında uygulanabilen ticari sıcaklık kontrol ekipmanlarına maliyet etkin bir alternatif sunar. Basit tasarım, minimal işleme ile kolayca monte edilebilir; hazır parçalar ve sunulan dosyalarla 3D yazıcı ile üretilebilen bazı özel parçalar ile bir haftadan kısa sürede monte edilebilir. Genel maliyeti yaklaşık 870 USD civarındadır, ancak bu malzemelerin çoğunun yaygın olarak mevcut olması ve araştırma laboratuvarlarında zaten bulunabileceği göz önüne alındığında, bu cihazın toplam maliyeti üretimi oldukça daha düşük olabilir. Sistemin nasıl monte edileceğine dair adım adım bir rehber sunulmaktadır.

Tasarımın etkinliği, ortam dışı (0 °C) sıcaklık koşullarında operando galvanostatik döngüyle gösterilir ve birkaç ay boyunca uzun süreli döngüye uygun olduğu gösterilmiştir. Sıcaklık kontrol performansı ve odadaki sıcaklık dağılımının 3D temsili de gösterilir. Sonuçlar burada sunulmasa da, oda ayrıca döngüsel voltametriyi ve elektriksel empedans spektroskopisi gibi ek operando elektrokimyasal deneyler için de kullanılabilir. Bu tasarımda daha geniş bir operando ölçüm yelpazesi için yapılan değişiklikler ve odanın sıcaklık aralığını genişletme potansiyeli tartışılır.

Bu sıcaklık odasının ana hedefleri, yoğuşmayı sınırlarken güvenilir sıcaklık kontrolü sağlamaktır; böylece bu koşullarda dört adet 2032 madeni para hücresi döngüye getirilebilir. Birincil soğutma ticari bir mini buzdolabı kullanılarak elde edilir, ancak sıcaklık değişimleri deneysel amaçlar için güvenilir olmayabilir. Bu nedenle, bu tasarım, asetal reçineden işlenmiş küçük hava geçirmez bir odayı daha da düzenlemek için iki termoelektrik modülü kontrol eden bir açma-kapalı kontrol cihazı kullanır. Isı emiciler ve fanlar ısıyı dağıtarak termoelektrik modüllerin küçük bir sıcaklık farkını korumasına olanak tanır. Kapakta bulunan besleme kanalları, sekiz kablonun içinden geçmesine izin vererek pil döngüsü için izin verir. Tasarımın kesitinin şematik bir temsili Şekil 1A'da gösterilmiştir.

Şekil 1: Sıcaklık odası. (A) Etiketlenmiş bileşenlerle düşük sıcaklık odasının illüstrasyonu. (B) Monte edilmiş sıcaklık odası. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Protokol

1. Odanın üretimi

1. 3D baskı bileşenleri
   1. Ek Dosya 1'deki tüm STL dosyalarını (Gasket Jig.stl, Heat Sink Clamp.stl, On-Off Mount.stl, Protoboard Mount.stl, Wire to Alligator Converter.stl, Wiring Station Bottom.stl ve Wiring Station Top.stl) hariç, polilaktik asit (PLA) kullanarak) 3D yazdırın.
      NOT: Baskı talimatları, Ek Dosya 2'nin bir parçasıdır. Bu protokolün ilk bölümünde, Materyaller Tablosu'ndan parçalar italik olarak yazılır ve 3D baskılı parçalar uzantı (.stl) ile yapılır.
2. Ana oda, kapak ve ısı emicilerin frezelemesi
   1. Asetal reçine bloğunu 4" × 3.5" × 1.5" ve 1.45" × 1.45" × 1.125" stok bloklarına öğüt.
      DIKKAT: Işleme tehlikeli olabilir ve kişisel yaralanmaya yol açabilir. Bu protokol boyunca işlemeyi içeren adımlar yalnızca eğitimli profesyoneller tarafından yapılmalıdır.
   2. Ana oda ve kapağı oluşturmak için bilgisayar sayısal kontrolü (CNC) veya manuel frezeleme makinesi kullanın; bu, Chamber.stl ve Chamber Lid.stl dosyalarında Ek Dosya 1'de gösterildiği gibi.
      NOT: Kapağın hava geçirmez bir şekilde oturması için işlenmiş olmalıdır. Daha iyi bir mühür elde etmek için bir o-ring eklenebilir.
   3. Isıtıcıyı iki 4" x 3.5" profil halinde kesin.
   4. Ek Dosya 1'deki Delik Layout.pdf dosyasına göre delikleri delin.
   5. Isıtıcı kanatlarında delikler açarak kapak vida başlarına yer aç.
   6. Kapağın üstüne 1/4"-20 X 1" ölçümlü bir cıvata vidalanın. Bu cıvata, kapağın hazneden daha kolay çıkarılmasını sağlar.
   7. Dört Batarya Tutucusunu Batarya Kablolama Kaydırıcısından geçirin ve ardından kapağın içinden geçirin. Her bir pil tutucu sekmesinin ON pozisyonunda olduğundan emin olun.
   8. Kapağa giren tüm tel deliklere silikon ekleyin ve sertleşmesine izin verin.
      NOT: Bu işlem sırasında oluşan kimyasal atıklar, üretici yönergeleri ve malzeme güvenlik veri formlarına uygun olarak bertaraf edilmelidir.
3. Elektroniklerin montajı
   DIKKAT: Elektrik tehlikeleri. Tüm elektrik işleri eğitimli bir profesyonel tarafından yapılmalıdır.
   1. Şekil 2'deki tüm kabloları Termoelektrik Modüller ve 12 V fanlar hariç bağlayın. Bunlar daha sonra bağlanacak.
   2. 12 V ve toprak hatlarını iki telli konnektöre giden güç kaynağına lehimleyin.
      DIKKAT: Lehimleme tehlikeleri arasında termal yaralanmalar ve soluma tehlikeleri yer almaktadır. İş, yalnızca iyi havalandırılan bir alanda eğitimli bir profesyonel tarafından yapılmalıdır.
4. Odanın montajı
   1. Contaları, önce bir kesme aleti ve Conta Jig.stl (Ek Dosya 1) ile keserek iki conta yaparak contaları oluşturun. Hafif basınç uygulayın, böylece contanı jigin altından çekip çok fazla kesmeyin.
   2. Bir contanı ana hazlığın yan ceplerinden birine yerleştirin, böylece cep düz olsun.
   3. Termoelektrik Modül kablolarını, ana odadaki yan deliklerden geçirin, termoelektrik modüllerin numaralı (soğuk) tarafı odaya bakacak şekilde yerleştirin.
   4. Termoelektriksel numarasız (sıcak) tarafa ince ama tam bir Termal Yağ tabakası uygulayın.
   5. Termoelektrik modülün dışındaki odaya ince bir silikon halkası uygulayın.
   6. Ana odanın üstüne dikkatlice bir soğutucu yerleştirin. 1/4"-20 x 1" kapağı vidalayın. Isı emicileri ana odaya vidalayın, silikonu sıkıştırın. Bu, hava geçirmez bir sızdırmazlık oluşturur. Fazla silikonu çıkarın.
   7. Her iki tarafta da tekrarlayın. Silisonun sertleşmesini bekle.
   8. Haznenin kapağının alt kısmını ince bir Vakumlu Yağ tabakası ile kaplayın ve onu kamiyete kaydırın.
   9. Veri kaydetme termokuplunu ve ON/KAPALI Kontrolörünün termokuplunu odanın yan tarafındaki deliklere kaydırın.
   10. Hazneye giren tüm tel deliklerine silikon ekleyin ve sertleşmesine izin verin.
   11. İki adet 12 V fanı ısı emicilerin her iki yanına yerleştirin, ısı alıcılara üfleyecek şekilde konumlandırın. Şekil 1B'de gösterildiği gibi fanları yerine sıkıştırmak için üç Uzun Zip Bağ kullanın.
5. Montaj ve kabloların montajı
   1. Switch Mount.stl ve Protoboard Mount.stl Ek Dosya 1'deki Heat Sink Clamp baskılarına Instant Glue ile yapıştırın.
      DIKKAT: Kimyasal tehlike. Üreticinin talimatlarına göre tüm kimyasalları kullanın.
   2. Montajları soğutucuların üst sırasına kaydırın. Protoboard, AÇMA/KAPAMA Anahtarı, Kontrolcüler ve yalıtım malzemesini montaj yerlerine yerleştirin. AÇMA/KAPAMA Anahtarının montaj pozisyonunda çift taraflı bir bant parçasıyla tutulduğundan emin olun. Bir parça pleksiglas veya başka bir yalıtıcı malzeme kullanın ve protoboard'un üzerindeki Protoboard Mount.stl'ye kaydırarak kazara kısa devre oluşmasını önleyin.
   3. Erkek/Dişi Krimp Seti kullanılarak, erkek konnektörleri her pil tutucusunun kablolarına sıkıştırın. Kabloları ihtiyaç duyulan yere bağlamak için 22 AWG Gauge Tel ve kablo konnektörleri kullanın. Bu konnektörleri ayırırken erkek tarafı tutacak iğne burunlu pense kullanılması, tellerin kendisine aşırı baskı uygulanmasını önlemek için önerilir.
   4. Kabloları düzenlemek için Kablolama İstasyonu Alt ve Top.stl 3D baskılarını (Ek Dosya 1) kullanın.
   5. Spade Konnektörleri ve Wire to Alligator Converter.stl 3D baskısını (Ek Dosya 1) kullanarak hücrelere timsah benzeri bir bağlantı sağlanabilir.
6. Son montaj
   1. Kabloları düzenledikten sonra, Termoelektrik Modüller ve 12 V fanlar için bağlantıları lehimleyin. Kamera artık tamamen monte edilmiştir.

Şekil 2: Odanın soğutma sistemini kontrol eden devre için elektrik devresi şeması. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

2. Odanın kullanımı

1. Odanın kontrolü
   1. Odayı uygun sıcaklığa soğutmak için, termoelektrik modülleri manuel AÇMA/KAPAMA düğmesiyle kapatın. Güç kaynağına bağlanın.
   2. Kontrolciyi soğutma moduna ayarlayın. İstenen sıcaklığı 0 °C'ye ve açma diferansiyasyonunu 0.1 °C'ye ayarlayın. Aşırı aşırı ısınma veya aşırı soğumayı önlemek için sıcaklık aralığını -55 °C ile 24°C arasında ayarlayın.
      NOT: Buzdolabındaki sıcaklığı istenen sıcaklıktan biraz daha sıcak (~2 °C) olacak şekilde ayarlayın. ON/KAPALI kontrolörü için buzdolabı sıcaklığı, istenen sıcaklıktan daha sıcak olmalıdır, ancak sıcaklık çok sıcak olamaz, yoksa termoelektrik modüller istenen sıcaklığa ulaşamaz.
2. Kayıt sıcaklığı
   1. Veri kaydetme termokuplunu termometreye bağlayın ve odayı buzdolabına yerleştirin.
   2. Termometreyi sonsuza kadar açık kalacak şekilde ayarlayın ve 24 saat boyunca her birkaç saniyede bir sıcaklığı kaydedin.
      NOT: Düzgün çalışırsa, odadaki sıcaklık 1 °C'den ± fazla değişmemelidir.
   3. Soğutmaya hazır olunca, manuel AÇMA/KAPAMA düğmesini AÇIN. Odası artık kullanıma hazır.
3. Hazneyi açıp bir pil eklemek
   NOT: Eğer piller aktif olarak ölçülüyse, büyük sıcaklık değişimlerini önlemek ve pillerdeki yoğuşmayı azaltmak için numune değişiklikleri hızlıca yapılmalıdır. Ana kapak üzerinde çalışma yapılırken, geçici bir kapak, örnek değişimleri sırasında ana kapağın yerine 3D baskı yapılarak Ek Dosya 3'te bulunan Temp Lid.stl kullanılarak kullanılabilir.
   1. Pil eklemek veya çıkarmak için hazneyi açmak için kapağın cıvatasının altına bir tornavida yerleştirin. Dış kenarı dayanak olarak kullanarak tornavida kolunu aşağıya bastırın. Kapak gevşedikten sonra elle çıkarıp düz bir yüzeye koyun veya Ek Dosya 3'te bulunan Kapak Tutucu.stl dosyasını kullanarak bir kapak tutucuyu 3D baskı ile yapın. Kamba kapağını geçici kapakla değiştirin.
   2. Değiştirilecek pil tutucularını açın ve madeni para hücresini tutucuya yerleştirin.
   3. Geçici kapağı ve ardından silika jel paketini kameranın içindeki kısmı çıkarın. Nemi bir bezle silin ve ekstra nemi emmek için silika jel paketini haznedeki yerine koyun.
   4. Ana kapağı değiştirin ve hazneyi tekrar buzdolabına yerleştirin.
      NOT: Odanın içinde sıcaklığın yeniden dengelenmesi 2 saate kadar sürebilir.
4. Düşük sıcaklıkta Operando döngüsü
   1. İstenilen sıcaklığa ulaşıldığında döngü deneylerini gerçekleştirin.
   2. Odanın istenen sıcaklıkta kalmasını sağlamak için sıcaklığı kaydetmeye devam edin.

Sonuçlar

Odanın performansı üç şekilde test edildi: (1) odadaki sıcaklık gradyanlarının ölçülmesi, (2) ilk inşaattan sonraki 24 saat ve 7 aylık kullanımdan sonra 168 saatlik bir süre boyunca sıcaklığın izlenmesi ve (3) lityum-iyon batarya para hücreleri için 100 döngü veya ~3 ay boyunca döngü verilerinin toplanması. Aşağıda tartışılan bu sonuçlar, odanın birkaç ay boyunca ortalama sıcaklık değişimi 0,75 °C'nin altında sabit sıcaklığı koruyabildiğini ve bunun sonucunda tutarlı elektrokimyasal döngü verilerinin sağlandığını göstermektedir.

Şekil 3: Soğuk odanın üç boyutlu sıcaklık bağımlılığı. YZ düzlemi, Şekil 1'de gösterilen düzlemdir. Mini buzdolabının içinde kullanılabilen özel bir 2 eksenli sıcaklık veri kaydedici üretildi. Her veri noktası, odada genel sıcaklık değişimi ± 0,4 °C olan benzersiz bir sıcaklık ölçümü temsil eder. Veri toplama ve analizinin daha ayrıntılı açıklaması Ek Dosya 2'de sunulmaktadır. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Sıcaklık gradyantı:
Odadaki sıcaklık değişimi nispeten tutarlıydı ve Şekil 3'te görüldüğü gibi sadece 0,4 °C ± değişti. Bu varyasyon, sağ termoelektrik modüle daha yakın biraz daha sıcak bir hacim gösteriyordu; bu, modüllerin kendisindeki değişimden veya her birine verilen güç miktarından kaynaklanıyor olabilir.

Termoelektrik modüllerin yüzeyi, çevresindeki havadan sürekli olarak birkaç derece daha soğuktu, bu yüzden pil tutucularının modüllerle temas etmemesi doğru sıcaklık yönetimi için önemliydi. Pil tutucu hizalama kılavuzunun kullanılması, tutucular ile modüller arasındaki temas olasılığını azalttı.

Şekil 4: Zamanla Sıcaklık Değişimi. (A) Yapıdan kısa bir süre sonra başlangıç sıcaklık dağılımı, 24 saat boyunca her 10 saniyede ölçüldüğünde ± 0,13 °C varyasyon göstermektedir. (B) 7 aylık kullanımdan sonra, sıcaklık dağılımı 1 haftalık bir süre boyunca her 10 saniyede bir ölçülmüş ve ± 0,75 °C ortası varyasyon oluşmuştur. Bu veri toplama ve Gauss düzgünleştirme hakkında daha fazla bilgi Ek Dosya 2'de verilmiştir. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Sıcaklık izleme:
Ortalama sıcaklık değişimi, 7 ay kullanımdan sonra 168 saat boyunca her 10 saniyede bir ölçülmüş ve Şekil 4'te bu süre boyunca sabit olduğu görülebilir. Şekil 4B'deki verilerin blok benzeri yapısı muhtemelen sıcaklığın hızlı salınımlarından kaynaklanmaktadır. Gerekirse bu salınımları azaltmak için daha gelişmiş bir kontrol yöntemi kullanılabilir. Ortalama sıcaklık başlangıçta Şekil 4A'da gösterildiği gibi 0,13 °C ± değişmiş, ancak 7 ay boyunca Şekil 4B'de gösterildiği gibi 0,75 °C'ye ± çıkmıştır. Bu, odanın zamanla daha dengesiz hale gelmesinin bir işareti olabilir, ancak laboratuvarın ortam sıcaklığının artması gibi başka faktörlerden de kaynaklanabilir. Buna rağmen, sıcaklığın zaman içindeki kararlılığı önemlidir ve bu sıcaklık kontrolü genellikle çoğu düşük sıcaklık pil incelemesi için yeterlidir. Odanın içindeki sıcaklığın karakterizasyonuna dair ek detaylar Ek Dosya 2'de verilmiştir.

Şekil 5: 100 döngü boyunca pil kapasitesinin evrimi. (A) Sıcaklık kontrolü için dolaşan banyo sistemi kullanılarak verilerin döngüsü. Pillerdeki yoğuşma nedeniyle sıcaklık dalgalanmaları ve korozyon sorunları nedeniyle kapasitede büyük farklılıklar gözlemlendi. (B) Bu makalede sunulan özelleştirilmiş düşük sıcaklık odası kullanılarak verilerin döngüsünde önemli ölçüde daha az gürültü gösterilmesi. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Elektrokimyasal döngü verileri:
Pil testleri sırasında odanın sıcaklığı koruma performansını test etmek için, ticari olarak mevcut dört adet 2032 Li-ion madeni para hücresi pillerinde galvanostatik döngü testleri yapıldı. Bu madeni para hücreleri, 0 ± 1 °C sıcaklığında, C/7 C-oranında 100 döngü boyunca döngüye alındı ve bu ~3 ay sürdü. Sonuçlar Şekil 5B'de gösterilmiştir. Bu veriler, antifriz çözeltisi içeren dolaşım banyosu bulunan strafor yalıtımlı alüminyum odası kullanan önceki nesil sıcaklık odası ile karşılaştırılır. Dolaşım banyosu yöntemi, Şekil 5A'da gözlemlendiği gibi ölçülen hücre kapasitelerinde büyük sapmalara yol açmış ve tekrar eden döngü sırasında pil hücrelerinin korozyona uğramasına yol açmıştır. Burada bildirilen yeni oda tasarımı, ölçülen hücre kapasitelerinde önemli bir iyileşme göstermektedir; bu iyileştirme ile daha iyi sıcaklık kararlılığı, hücre korozyonu yokluğu ve verilerdeki gürültüde önemli bir azalma ile vurgulanmaktadır.

Odanın doğru çalışığı, yalnızca küçük dalgalanmalarla sabit sıcaklık ve düzensiz voltajlar veya hücre kapasitesindeki ani artışlar ve azalmalar gibi açıklanamayan veya ani değişikliklerden arındırılmış elektrokimyasal verilerle gösterilir. Odalar ilk olarak monte edilip açıldıktan sonra, sıcaklığın 24 saat ile birkaç gün boyunca kaydedilmesi tavsiye edilir; böylece soğutucu ayarlarının ısı dağılımı optimize edilmesi için ayarlanması gerektiğini gösteren bir sıcaklık artışı veya düşüşü olmamalıdır.

Ek Dosya 1: 3D baskı için STL dosyaları. Dosyalar arasında 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 ve Chamber Lid.stl dosyaları bulunmaktadır. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Dosya 2: Baskı talimatları ve sıcaklık karakterizasyonu. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Dosya 3: STL dosyalarından ana kapağı ve kapak tutucuyu 3D baskı altına alın. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Tartışma

Kritik adımlar:
Protokolde, soğuk odanın doğru performansını sağlamak için kritik birkaç adım vardır. Kablo bağlantılarına dikkat edilmelidir çünkü bunlar devrenin düzgün çalışması ve doğru veri toplama sağlaması için gereklidir. Hatalı kablo bağlantıları, düzensiz voltaj okumalarına yol açabilir ve para hücrelerini odaya yerleştirmeden önce voltmetre kullanılarak kablo bağlantılarını test ederek önlenebilir.

Hava sızıntılarından kaçınılmalıdır çünkü bunlar hücrelerde kondensasyon yaparak korozyona yol açabilecek ek nem odaya girebilir. Kapağın ve diğer deliklerin hassas işlemesi ile conta malzemesi ve yağla dikkatli sızdırdırma, odanın uzun vadeli güvenilirliğini ve performansını garanti altına alacaktır. Eğer oda hava geçirmez değilse, hücrelerde yoğuşma genellikle hücre kapasitesinin ani artışı veya azalması gibi düzensiz hücre performansıyla gösterilen korozyona yol açabilir ve hücreler hücre tutucularından çıkarıldığında sızıntı veya renk değiştirmiş gibi görünebilir.

Son olarak, veri kaydı için kullanılan termokuplun doğru şekilde kalibre edilip yerleştirildiğinden emin olmak, odanın sıcaklık performansını güvenilir şekilde kaydetmek için önemlidir.

Değişiklikler:
Bu sıcaklık odası, 0 °C'de 2032 madeni para hücresi deneyleri için özel olarak tasarlanmış olsa da, bu genel tasarım benzer çevresel gereksinimlere sahip çok çeşitli deneyler için değiştirilebilir ve optimize edilebilir. 2032 hücresi için para hücresi tutucuları, farklı madeni para hücreleri için olanlarla kolayca değiştirilebilir. Farklı batarya geometrileri (örneğin, silindirik, poşet) de batarya tutucuları değiştirilerek ayarlanabilir, ancak bölme boyutlarının artırılması gerekebilir. Oda, termoelektrik modüllerin gücünü 12 V'dan fazla artırarak daha düşük sıcaklıklara ulaşabilir. Bu tasarımda kullanılan termoelektrik modüller, -40 °C'ye kadar soğutma sağlayacak şekilde derecelendirilmiştir. Ancak, daha iyi ısı dağıtımı ve odadaki sıcaklık gradyanlarını değerlendirmek ve bu düşük sıcaklıkta tüm bileşenlerin düzgün çalışmasını sağlamak için testler yapılması gerekecekti. Bir basılı devre kartı, hem verileri kaydetmek hem de termoelektrik modülleri kontrol etmek için kullanılabilir, böylece iki termokupl ihtiyacını ortadan kaldırabilir. Son olarak, oda öncelikle nem kontrolü için kullanılıyorsa ve hassas sıcaklık kontrolü sorun değilse, kapak ve odacık tasarımı termoelektrik modüller, kontrol sistemi ve ısı dağıtma parçaları olmadan da kullanılabilir.

Sorun Çözümü:
Basit tasarım nedeniyle, karşılaşılan olası sorunların çoğu nispeten kolay çözülebilir olmalıdır. Pillerin korozyonu muhtemelen bir hava sızıntısı olduğunu gösteriyor ve tüm deliklerin kapatılmasını sağlamak ilk müdahale olmalıdır. Gürültülü pil döngüsünü verme verileri muhtemelen bağlantıları iyileştirerek düzeltilebilen kablolama sorunu veya pil tutucularıyla kötü fiziksel temas olduğunu gösteriyor. Ayrıca hücrelerde yoğuşmanın oluştuğunun bir işareti olabilir ve bu da korozyona yol açabilir, bu yüzden sistemin hava geçirmez olup olmadığından emin olmak için kontrol edilmelidir. İstenen sıcaklığa ulaşılama, yanlış termal yağ uygulaması, termoelektrik modüllerin menzili dışındaki istenen sıcaklığa ulaşılmaya çalışma, modüllere sağlanan yetersiz akım ve voltaj veya etkisiz ısı dağıtımı gibi birçok faktörden kaynaklanabilir.

Sınırlamalar:
Bu oda tasarımının temel sınırlamalarından biri, dört pilin tamamını çıkarmak ve herhangi birini çözmek için çıkarma zorunluluğudur. Bu, dört pilin herhangi birinin çıkarılması gerektiğinde diğer ortamlara maruz kalmasına neden olur. Bu sorunu mevcut tasarımla hafifletmek zordur. Bir diğer sınırlama ise, termoelektrik modüllere güç kaybedilirse, odadaki sıcaklığın hızla yükselmesidir. Bu nedenle, modüllere güç kaybı kesilmemesini sağlamak çok önemlidir. İstenmeyen sıcaklık değişimlerini önlemek için kesintisiz bir güç kaynağı ve/veya yedek jeneratör kullanmak, elektrik kesintileri endişeliyse faydalı olabilir.

Önem:
Piller düşük sıcaklıklarda performansta önemli ölçüde azalmaya devam ediyor, bu da bu sorunu ele alacak yeni araştırma çalışmalarının giderek daha önemli olmasını sağlıyor. Bu sıcaklık odası tasarımı, 2032 madeni para hücresi pillerini düşük sıcaklıkta döngüye sokmak ve yoğuşmayı ve korozyonu sınırlamak için özel olarak tasarlanmıştır. Bir diğer önemli hedef ise maliyet etkin ve montajı kolay bir tasarım üretmekti. Bu tasarıma özel olarak üretilen ticari alternatifler genellikle pahalıdır ve standart buzdolabı gibi düşük maliyetli seçenekler yoğuşmayı tamamen önlemez ve sıcaklık değişimi artabilir ^2,3,14. Bu nedenle, bu tasarım, araştırma bütçelerini zorlamadan düşük sıcaklıkta pil döngüsü çalışmaları yapmak isteyen araştırmacılar için düşük maliyetli ve hızlı uygulanabilir bir seçenek olabilir.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi

Ad	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
1/4"-20 x 1" kapanağı vidaları	Grainger	4XE35	9 gerek; 8 tane ısı alıcılar için, 1 tane kapak için
12 V Fanlar	Digikey	2223-CFM-9225C-130-356-ND	2 gerek; Havayı ısı alıcılara dolaştırmak için kullanılır
AC'den 12 V 10 A Konnektöre	Digikey	AD-EL-1201200-Z	Duvar Gücünü&NBSP'yi dönüştürür;
Asetal Reçine	McMaster	8575K148	1.5" x 6" x 6" dipçik
Batarya Tutucuları	Digikey	36-1086-ND	4 gerek; 2 ekstra
Batarya Kablolama Kaydırıcısı	Yok	Yok	PLA'dan 3D Baskı
Veri kaydı termokupl	ExTech	872501-S	tercih edilen bir termokupl yerine kullanılabilir
Elektronik Geliştirme Kurulu	Adafruit	3000	bkz. Ek Dosya 2
Elektronik Temepratür Kayıt Sistemi	Arduino	A000066	bkz. Ek Dosya 2
Buzdolabı	Büyülü Şef	MCR170BE	Standart bir buzdolabı yerine kullanılabilir
Conta Jigi	Yok	Yok	PLA'dan 3D Baskı
Conta Malzemesi	McMaster-Carr		5542N125
Isı Emici	Digikey	345-127709-ND	1 gereklidir; 2 ısı alıcıya kesim
Isı Emici Kelepçesi	Yok	Yok	PLA'dan 3D Baskı
Anında Yapıştırıcı	Loctite	234790	Süper Yapıştırıcı olarak da bilinir
Kapak Tutucu	Yok	Yok	PLA'dan 3D Baskı
Uzun Zip Kravat	Digikey	2162-AL-14-50-0-C-ND	100 kişilik paket, 4 veya daha az gerekir
Erkek/Kadın Sıkma Seti	Mouser	474-PRT-10501	8 tane lazım, 4 yedek de almalıyım
AÇ/KAPALI Kontrolcü	Amazon	7.38587E+11	2 kişilik paket
2 Telli Konnektöre Güç Kaynağı	Digikey	CP-024A-ND	1
Protoboard	Adafruit	1609	1
Protoboard Montajı	Yok	Yok	PLA'dan 3D Baskı
Kısa Zip Kravatı	Southwire	BL4M2-C	100 kişilik paket
Silika Jel	McMaster	2189K14	Ek nemi emmek için kullanılır
Silikon	Loctite	908570	Çok az şey istiyorum
Spade Connectors	McMaster	7060K79	8 lazım, yedek almalıyız
Zincirlenmiş 22 AWG Kablolar	Adafruit	3175	Tercih edilen kablolama yerine kullanılabilir
Anahtar Montajı	Yok	Yok	PLA'dan 3D Baskı
Sıcak Kapağı	Yok	Yok	PLA'dan 3D Baskı
Termal Yağ	Wakefield	120-5	Çok az şey istiyorum
Termoelektrik Modüller	DigiKey	102-1682-ND	2 gerek; Üretici Ürün #: CP85438
Termometre	ExTech	EA15	tercih edilen bir termometre yerine kullanılabilir
Vakumlu Yağ	DuPont	2708493	Çok az şey istiyorum
Kablolardan timsaha dönüştürücüye	Yok	Yok	PLA'dan 3D Baskı
Kablo İstasyonu Alt Kısım	Yok	Yok	PLA'dan 3D Baskı
Kablo İstasyonu Tepesi	Yok	Yok	PLA'dan 3D Baskı