Relația de soluție generală pentru proiectarea dimensiunilor plăcilor polare ale bateriilor cilindrice

Relația de soluție generală pentru proiectarea dimensiunilor plăcilor polare ale bateriilor cilindrice

Bateriile cu litiu pot fi clasificate în baterii pătrate, moale și cilindrice pe baza metodelor și formelor lor de ambalare. Printre acestea, bateriile cilindrice au avantaje de bază, cum ar fi consistența bună, eficiența ridicată a producției și costurile de producție scăzute. Au o istorie de dezvoltare de peste 30 de ani de la înființarea lor în 1991. În ultimii ani, odată cu lansarea tehnologiei Tesla all pole ear, aplicarea bateriilor mari cilindrice în domeniile bateriilor de putere și stocării energiei s-a accelerat, devenind o cercetare. hotspot pentru marile companii de baterii cu litiu.

Figura 1: Comparația performanțelor la niveluri unice și de sistem ale bateriilor cu litiu cu forme diferite

Carcasa cilindrică a bateriei poate fi o carcasă de oțel, o carcasă de aluminiu sau un pachet moale. Caracteristica sa comună este că procesul de fabricație adoptă tehnologia de înfășurare, care folosește acul de înfășurare ca miez și acționează acul de înfășurare să se rotească în strat și să înfășoare filmul de izolare și placa de electrod împreună, formând în cele din urmă un miez de înfășurare cilindric relativ uniform. După cum se arată în următoarea figură, un proces tipic de înfășurare este următorul: în primul rând, acul de înfășurare prinde diafragma pentru preînfășurarea diafragmei, apoi electrodul negativ este introdus între două straturi de film de izolare pentru preînfășurarea electrodului negativ, iar apoi electrodul pozitiv este introdus pentru înfășurarea de mare viteză. După terminarea înfășurării, mecanismul de tăiere taie electrodul și diafragma și, în final, se aplică un strat de bandă adezivă la capăt pentru a fixa forma.

Figura 2: Schema schematică a procesului de înfășurare

Controlul diametrului miezului după bobinare este crucial. Dacă diametrul este prea mare, nu poate fi asamblat, iar dacă diametrul este prea mic, există o pierdere de spațiu. Prin urmare, proiectarea precisă a diametrului miezului este crucială. Din fericire, bateriile cilindrice sunt geometrii relativ regulate, iar circumferința fiecărui strat de electrod și diafragmă poate fi calculată prin aproximarea unui cerc. În cele din urmă, lungimea totală a electrodului poate fi acumulată pentru a obține proiectarea capacității. Valorile acumulate ale diametrului acului, numărul stratului de electrod și numărul stratului diafragmei sunt diametrul miezului plăgii. Trebuie remarcat faptul că elementele de bază ale designului bateriilor litiu-ion sunt proiectarea capacității și designul dimensiunii. În plus, prin calcule teoretice, putem proiecta, de asemenea, urechea polului în orice poziție a miezului bobinei, fără a se limita la cap, coadă sau centru și, de asemenea, putem acoperi metodele de proiectare a urechii multipolare și a urechii tuturor polilor pentru bateriile cilindrice. .

Pentru a explora problemele lungimii electrodului și diametrului miezului, mai întâi trebuie să studiem trei procese: preînfășurarea infinită a filmului de izolare, preînfășurarea infinită a electrodului negativ și înfășurarea infinită a electrodului pozitiv. Presupunând că diametrul acului bobinei este p, grosimea filmului de izolare este s, grosimea electrodului negativ este a și grosimea electrodului pozitiv este c, totul în milimetri.

• Proces infinit de preînfășurare a membranei de izolare

În timpul procesului de preînfășurare a diafragmei, două straturi de diafragme sunt înfășurate simultan, astfel încât diametrul diafragmei exterioare în timpul procesului de înfășurare este întotdeauna cu un strat în plus de grosime a diafragmei (+1s) decât a diafragmei interioare. Diametrul inițial al înfășurării diafragmei interioare este diametrul final al înfășurării anterioare, iar pentru fiecare preînfășurare a diafragmei, diametrul miezului crește cu patru straturi de grosime a diafragmei (+4s).

Anexa 1: Legea variației diametrului procesului infinit de preînfășurare a membranei de izolare

• Proces infinit de preînfășurare a electrodului negativ

În timpul procesului de preînfășurare a electrodului negativ, datorită adăugării unui strat de electrod negativ, diametrul diafragmei exterioare în timpul procesului de înfășurare este întotdeauna cu un strat mai mult decât grosimea diafragmei interioare și a unui strat de electrod negativ ( +1s+1a), iar diametrul inițial al înfășurării diafragmei interioare este întotdeauna egal cu diametrul final al cercului anterior. În acest moment, pentru fiecare preînfășurare a electrodului negativ, diametrul miezului crește cu patru straturi de diafragmă și două straturi de grosime a electrodului negativ (+4s+2a).

Anexa 2: Legea variației diametrului procesului infinit de preînfășurare a plăcii electrodului negativ

Procesul de înfășurare infinit al plăcii cu electrod pozitiv

În timpul procesului de înfășurare a electrodului pozitiv, datorită adăugării unui nou strat de electrod pozitiv, diametrul inițial al electrodului pozitiv este întotdeauna egal cu diametrul final al cercului anterior, în timp ce diametrul inițial al înfășurării diafragmei interioare devine diametrul de capăt al cercului anterior plus grosimea unui strat de electrod pozitiv (+1c). Cu toate acestea, în timpul procesului de înfășurare a diafragmei exterioare, diametrul este întotdeauna cu doar un strat mai mult decât grosimea diafragmei interioare și un strat de electrod negativ (+1s+1a). În acest moment, electrodul negativ este preînfășurat pentru fiecare cerc. Diametrul miezului bobinei crește cu 4 straturi de diafragmă, 2 straturi de electrod negativ și 2 straturi de grosime a electrodului pozitiv (+4s+2s+2a).

Anexa 3: Legea variației diametrului electrodului pozitiv în timpul procesului de înfășurare infinită

Mai sus, prin analiza procesului de înfășurare infinit al diafragmei și plăcii electrodului, am obținut modelul de variație al diametrului miezului și al lungimii plăcii electrodului. Această metodă de calcul analitic strat cu strat este propice pentru aranjarea cu precizie a poziției urechilor electrodului (inclusiv urechile unipolare, urechile multipolare și urechile polare complete), dar procesul de înfășurare nu s-a încheiat încă. În acest moment, placa electrodului pozitiv, placa electrodului negativ și filmul de izolare sunt într-o stare de curățare. Principiul de bază al designului bateriei este de a solicita ca filmul de izolare să acopere complet placa electrodului negativ, iar electrodul negativ ar trebui să acopere complet electrodul pozitiv.

Figura 3: Schema schematică a structurii bobinei bateriei cilindrice și a procesului de închidere

Prin urmare, este necesar să se exploreze în continuare problema înfășurării electrodului negativ de bază și a filmului de izolare. Evident, deoarece electrodul pozitiv a fost deja înfășurat și înainte de aceasta, diametrul inițial al electrodului pozitiv este întotdeauna egal cu diametrul final al cercului anterior, diametrul inițial al diafragmei stratului interior înlocuiește diametrul final al cercului anterior. . Pe această bază, diametrul inițial al electrodului negativ crește grosimea unui strat de diafragmă (+1s), Creșteți diametrul inițial al diafragmei exterioare cu încă un strat de grosime a electrodului negativ (+1s+1a).

Anexa 4: Variații în diametrul și lungimea electrodului și a diafragmei în timpul procesului de înfășurare a bateriilor cilindrice

Până acum, am obținut expresia matematică a lungimii plăcii pozitive, plăcii negative și filmului de izolare sub orice număr de cicluri de înfășurare. Să presupunem că diafragma este preînfăşurată m+1 cicluri, placa negativă este preînfăşurată n+1 cicluri, placa pozitivă este înfăşurată x+1 cicluri, iar unghiul central al plăcii negative este θ°, unghiul central de izolare înfășurarea filmului este β °, atunci există următoarea relație:

Determinarea numărului de straturi de electrod și diafragmă nu numai că determină lungimea electrodului și a diafragmei, care la rândul lor afectează proiectarea capacității, dar determină și diametrul final al miezului bobinei, reducând foarte mult riscul de asamblare al miezului bobinei. Deși am obținut diametrul miezului după înfășurare, nu am luat în considerare grosimea urechii stâlpului și a hârtiei adezive de capăt. Presupunând că grosimea urechii pozitive este tabc, grosimea urechii negative este taba, iar adezivul final este de 1 cerc, iar zona de suprapunere evită poziția urechii pol, cu o grosime de g. Prin urmare, diametrul final al miezului este:

Formula de mai sus este relația de soluție generală pentru proiectarea plăcilor de electrozi cilindrice ale bateriei. Determină problema lungimii plăcii electrodului, a lungimii diafragmei și a diametrului miezului bobinei și descrie cantitativ relația dintre ele, îmbunătățind considerabil acuratețea proiectării și având o valoare mare de aplicare practică.

În cele din urmă, ceea ce trebuie să rezolvăm este problema aranjării urechilor pol. De obicei, există una sau două urechi polar sau chiar trei urechi polar pe o singură piesă polară, care este un număr mic de urechi polar. Cablul cu ureche este sudat pe suprafața piesei polare. Deși poate afecta acuratețea designului lungimii piesei polare într-o oarecare măsură (fără a afecta diametrul), cablul de ureche este de obicei îngust și are un impact redus, prin urmare, formula soluției generale pentru proiectarea dimensiunii bateriilor cilindrice propusă în acest articol ignoră această problemă.

Figura 4: Aspectul pozițiilor pozitive și negative ale urechii

Diagrama de mai sus este o diagramă schematică a plasării urechilor stâlpului. Pe baza relației generale propuse anterior între dimensiunea pieselor polare, putem înțelege clar modificările de lungime și diametru ale fiecărui strat de piese polare în timpul procesului de înfășurare. Prin urmare, atunci când se aranjează urechile de stâlp, urechile pozitive și negative pot fi aranjate cu precizie la poziția țintă a piesei polare în cazul unui ureche de stâlp unic, în timp ce în cazul urechilor de stâlp multiplu sau plini, de obicei este necesară alinierea. mai multe straturi de urechi de stâlp, Pe această bază, trebuie doar să ne abatem de la unghiul fix al fiecărui strat de ureche, astfel încât să obținem poziția de aranjare a fiecărui strat de ureche. Pe măsură ce diametrul miezului de înfășurare crește treptat în timpul procesului de înfășurare, distanța generală de aranjare a urechii este aproximativ modificată de progresia aritmetică cu π (4s+2a+2c) ca toleranță.

Pentru a investiga în continuare influența fluctuațiilor de grosime a plăcilor și diafragmelor electrodului asupra diametrului și lungimii miezului bobinei, luând ca exemplu celula urechii electrodului complet cilindric mare 4680, presupunând că diametrul acului bobinei este de 1 mm, grosimea de banda de închidere este de 16um, grosimea filmului de izolare este de 10um, grosimea de presare la rece a plăcii cu electrod pozitiv este de 171um, grosimea în timpul înfășurării este de 174um, grosimea de presare la rece a plăcii cu electrod negativ este de 249um, grosimea în timpul înfășurării este 255um și atât diafragma, cât și plăcile electrodului negativ sunt prerulate pentru 2 ture. Calculul arată că placa electrodului pozitiv este înfășurată timp de 47 de spire, cu o lungime de 3371,6 mm, Electrodul negativ este înfășurat de 49,5 ori, cu o lungime de 3449,7 mm și un diametru de 44,69 mm după înfășurare.

Figura 5: Influența fluctuației grosimii stâlpului și a diafragmei asupra diametrului miezului și a lungimii stâlpului

Din figura de mai sus, se poate observa intuitiv că fluctuația grosimii piesei polare și a diafragmei are un anumit impact asupra diametrului și lungimii miezului bobinei. Când grosimea piesei polare deviază cu 1 um, diametrul și lungimea miezului bobinei cresc cu aproximativ 0,2%, în timp ce atunci când grosimea diafragmei deviază cu 1 um, diametrul și lungimea miezului bobinei cresc cu aproximativ 0,5%. Prin urmare, pentru a controla consistența diametrului miezului bobinei, fluctuația piesei polare și a diafragmei ar trebui redusă cât mai mult posibil și, de asemenea, este necesar să se colecteze relația dintre revenirea plăcii electrodului și timp. între presarea la rece și înfășurare, pentru a ajuta la procesul de proiectare a celulei.



rezumat

1. Designul de capacitate și designul diametrului sunt logica de proiectare de cel mai scăzut nivel pentru bateriile cilindrice cu litiu. Cheia proiectării capacității constă în lungimea electrodului, în timp ce cheia proiectării diametrului constă în analiza numărului de straturi.
2. Aranjarea pozițiilor urechilor pol este, de asemenea, crucială. Pentru structurile cu urechi multipolare sau urechi cu poli complet, alinierea urechii polului poate fi utilizată ca criteriu pentru evaluarea capacității de proiectare și a capacității de control al procesului a celulei bateriei. Metoda analizei strat cu strat poate îndeplini mai bine cerințele de aranjare și aliniere a poziției urechii polului.