Загальне співвідношення рішення для конструкції розмірів полюсної пластини циліндричних батарей

Загальне співвідношення рішення для конструкції розмірів полюсної пластини циліндричних батарей

Літієві батареї можна класифікувати на квадратні, м’які та циліндричні батареї залежно від способу упаковки та форми. Серед них циліндричні батареї мають основні переваги, такі як хороша консистенція, висока ефективність виробництва та низькі витрати на виробництво. Вони мають понад 30-річну історію розвитку з моменту їх заснування в 1991 році. В останні роки, з випуском технології Tesla all pole ear, застосування великих циліндричних батарей у сферах акумуляторів живлення та накопичення енергії прискорилося, ставши дослідженням. гаряча точка для великих компаній, що займаються виготовленням літієвих батарей.

Малюнок 1: Порівняння продуктивності на одиночному та системному рівнях літієвих батарей різної форми

Циліндричний корпус акумулятора може бути сталевим, алюмінієвим або м’яким корпусом. Його загальна особливість полягає в тому, що виробничий процес використовує технологію намотування, яка використовує намотувальну голку як серцевину та змушує намотувальну голку обертатися до шару та обгортати разом ізоляційну плівку та електродну пластину, утворюючи відносно однорідний циліндричний сердечник намотування. Як показано на наступному малюнку, типовий процес намотування виглядає наступним чином: спочатку намотувальна голка затискає діафрагму для попереднього намотування діафрагми, потім негативний електрод вставляється між двома шарами ізоляційної плівки для попереднього намотування негативного електрода, а потім вставляється позитивний електрод для високошвидкісної намотування. Після завершення намотування ріжучий механізм розрізає електрод і діафрагму, а на кінці накладається шар скотчу для фіксації форми.

Рисунок 2: Схематична діаграма процесу намотування

Контроль діаметра сердечника після намотування має вирішальне значення. Якщо діаметр занадто великий, його неможливо зібрати, а якщо діаметр занадто малий, є втрата місця. Тому точне проектування діаметра сердечника має вирішальне значення. На щастя, циліндричні батареї мають відносно правильну геометрію, і окружність кожного шару електрода та діафрагми може бути розрахована шляхом наближення кола. Нарешті, загальна довжина електрода може бути накопичена для отримання конструкції ємності. Накопичені значення діаметра голки, кількості шарів електродів і кількості шарів діафрагми є діаметром сердечника рани. Слід зазначити, що основними елементами конструкції літій-іонної батареї є конструкція ємності та розміру. Крім того, за допомогою теоретичних розрахунків ми також можемо розробити полюсне вухо в будь-якому положенні сердечника котушки, не обмежуючись головою, хвостом або центром, а також охопити методи проектування багатополюсного вуха та всіх полюсів вуха для циліндричних батарей .

Щоб дослідити питання довжини електрода та діаметра сердечника, нам спочатку потрібно вивчити три процеси: нескінченне попереднє намотування ізоляційної плівки, нескінченне попереднє намотування негативного електрода та нескінченне намотування позитивного електрода. Припустимо, що діаметр голки котушки дорівнює p, товщина ізоляційної плівки дорівнює s, товщина негативного електрода дорівнює a, а товщина позитивного електрода дорівнює c, усе в міліметрах.

• Нескінченний процес попереднього намотування ізоляційної мембрани

Під час процесу попереднього намотування діафрагми два шари діафрагми намотуються одночасно, тому діаметр зовнішньої діафрагми під час процесу намотування завжди на один шар більше товщини діафрагми (+1s), ніж у внутрішньої діафрагми. Початковий діаметр внутрішньої обмотки діафрагми є кінцевим діаметром попередньої обмотки, і для кожної попередньої обмотки діафрагми діаметр сердечника збільшується на чотири шари товщини діафрагми (+4s).

Додаток 1: Закон зміни діаметра нескінченного процесу попереднього намотування ізоляційної мембрани

• Нескінченний процес попереднього намотування негативного електрода

Під час попереднього намотування негативного електрода, завдяки додаванню шару негативного електрода, діаметр зовнішньої діафрагми під час процесу намотування завжди на один шар перевищує товщину внутрішньої діафрагми та одного шару негативного електрода ( +1s+1a), а початковий діаметр внутрішньої обмотки діафрагми завжди дорівнює кінцевому діаметру попереднього кола. У цей час для кожної попередньої обмотки негативного електрода діаметр сердечника збільшується на чотири шари діафрагми та два шари товщини негативного електрода (+4s+2a).

Додаток 2: Закон зміни діаметра нескінченного процесу попереднього намотування пластини негативного електрода

Нескінченний процес намотування пластини позитивного електрода

Під час намотування позитивного електрода, завдяки додаванню нового шару позитивного електрода, початковий діаметр позитивного електрода завжди дорівнює кінцевому діаметру попереднього кола, тоді як початковий діаметр внутрішньої обмотки діафрагми стає кінцевий діаметр попереднього кола плюс товщина одного шару позитивного електрода (+1c). Однак під час процесу намотування зовнішньої діафрагми діаметр завжди лише на один шар перевищує товщину внутрішньої діафрагми та одного шару негативного електрода (+1s+1a). У цей час негативний електрод попередньо намотується для кожного кола. Діаметр сердечника котушки збільшується на 4 шари діафрагми, 2 шари негативного електрода та 2 шари позитивного електрода за товщиною (+4s+2s+2a).

Додаток 3: Закон зміни діаметра позитивного електрода під час нескінченного процесу намотування

Вище, завдяки аналізу нескінченного процесу намотування діафрагми та електродної пластини, ми отримали схему зміни діаметра сердечника та довжини електродної пластини. Цей метод пошарового аналітичного розрахунку сприяє точному впорядкуванню положення електродних вушок (включаючи однополюсні вуха, багатополюсні вуха та повнополюсні вуха), але процес намотування ще не завершився. У цей момент пластина позитивного електрода, пластина негативного електрода та ізоляційна плівка знаходяться в рівному стані. Основний принцип конструкції батареї полягає в тому, щоб ізоляційна плівка повністю покривала пластину негативного електрода, а негативний електрод також повинен повністю покривати позитивний електрод.

Малюнок 3: Схематична діаграма структури котушки циліндричної батареї та процесу закриття

Тому необхідно додатково вивчити питання намотування сердечника негативним електродом та ізоляційною плівкою. Очевидно, оскільки позитивний електрод вже намотаний, а до цього початковий діаметр позитивного електрода завжди дорівнює кінцевому діаметру попереднього кола, початковий діаметр діафрагми внутрішнього шару замінює кінцевий діаметр попереднього кола. . Виходячи з цього, початковий діаметр негативного електрода збільшує товщину одного шару діафрагми (+1s). Збільште початковий діаметр зовнішньої діафрагми ще на один шар товщини негативного електрода (+1s+1a).

Додаток 4: Зміни діаметра та довжини електрода та діафрагми під час процесу намотування циліндричних батарей

Наразі ми отримали математичний вираз довжини позитивної пластини, негативної пластини та ізоляційної плівки за будь-якої кількості циклів намотування. Припустимо, що діафрагма попередньо намотана m+1 циклів, негативна пластина попередньо намотана n+1 циклів, позитивна пластина намотана x+1 циклів, а центральний кут негативної пластини дорівнює θ °, центральний кут ізоляції намотування плівки дорівнює β °, то має місце така залежність:

Визначення кількості шарів електрода та діафрагми визначає не лише довжину електрода та діафрагми, що, у свою чергу, впливає на конструкцію ємності, але також визначає кінцевий діаметр сердечника котушки, що значно знижує ризик складання сердечника котушки. Хоча ми отримали діаметр сердечника після намотування, ми не враховували товщину вуха полюса та кінцевого клейкого паперу. Припускаючи, що товщина позитивного вуха дорівнює tabc, товщина негативного вушка дорівнює taba, кінцевий клей дорівнює 1 колу, а область перекриття уникає положення полюсного вуха з товщиною g. Отже, остаточний діаметр сердечника дорівнює:

Наведена вище формула є загальним співвідношенням рішення для конструкції циліндричних електродних пластин акумулятора. Він визначає проблему довжини електродної пластини, довжини діафрагми та діаметра сердечника котушки та кількісно описує взаємозв’язок між ними, що значно покращує точність проектування та має велике практичне значення.

Нарешті, що нам потрібно вирішити, так це проблему розташування жердинних вух. Зазвичай на одній наконечці є одна або дві вуха або навіть три вуха, що є невеликою кількістю вушок. До поверхні полюсного наконечника приварюється висновок. Незважаючи на те, що це може певною мірою вплинути на точність конструкції довжини полюсного наконечника (без впливу на діаметр), висновок зазвичай вузький і має невеликий вплив, тому загальна формула рішення для конструкції розміру циліндричних батарей, запропонована в цій статті ігнорує це питання.

Малюнок 4: Схема позитивного та негативного положень вуха

Наведена вище схема є схематичною схемою розміщення полюсних наконечників. На основі раніше запропонованого загального співвідношення розмірів полюсних наконечників ми можемо чітко зрозуміти зміни довжини та діаметра кожного шару полюсних наконечників під час процесу намотування. Таким чином, під час розташування полюсних наконечників позитивні та негативні наконечники можна точно розташувати в цільовому положенні полюсного наконечника у випадку одного полюсного наконечника, тоді як у випадку кількох або повних полюсних наконечників зазвичай потрібно вирівняти кілька шарів полюсних наконечників. Виходячи з цього, нам потрібно лише відхилитися від фіксованого кута кожного шару наконечника, щоб отримати розташування кожного шару наконечника. Оскільки діаметр намотувального сердечника поступово збільшується під час процесу намотування, загальна відстань розташування наконечника приблизно змінюється в арифметичній прогресії з π (4s+2a+2c) як допуск.

Для подальшого дослідження впливу коливань товщини електродних пластин і діафрагм на діаметр і довжину сердечника котушки, взявши за приклад 4680 великих циліндричних повних електродів, припустивши, що діаметр голки котушки становить 1 мм, товщина закриваюча стрічка 16 мкм, товщина ізоляційної плівки 10 мкм, товщина холодного пресування Пластина позитивного електрода становить 171 мкм, товщина під час намотування становить 174 мкм, товщина пластини негативного електрода холодного пресування становить 249 мкм, товщина під час намотування становить 255 мкм, і пластини діафрагми та негативного електрода попередньо прокатані на 2 оберти. Розрахунок показує, що пластина позитивного електрода намотана на 47 витків довжиною 3371,6 мм. Негативний електрод намотаний 49,5 разів, довжина 3449,7 мм і діаметр 44,69 мм після намотування.

Рисунок 5: Вплив коливання товщини полюса та діафрагми на діаметр сердечника та довжину полюса

З наведеного вище малюнка інтуїтивно видно, що коливання товщини полюсного наконечника та діафрагми певним чином впливають на діаметр і довжину сердечника котушки. Коли товщина полюсного наконечника відхиляється на 1 мкм, діаметр і довжина сердечника котушки збільшуються приблизно на 0,2%, а коли товщина діафрагми відхиляється на 1 мкм, діаметр і довжина сердечника котушки збільшуються приблизно на 0,5%. Тому, щоб контролювати узгодженість діаметра сердечника котушки, коливання полюсного наконечника та діафрагми слід мінімізувати, наскільки це можливо, і також необхідно зібрати співвідношення між відскоком електродної пластини та часом. між холодним пресуванням і намотуванням, щоб допомогти в процесі дизайну клітини.



Резюме

1. Конструкція ємності та діаметра є найнижчим рівнем проектування циліндричних літієвих батарей. Ключ до розрахунку потужності лежить у довжині електрода, тоді як ключ до розрахунку діаметра полягає в аналізі кількості шарів.
2. Розташування полюсних вух також має вирішальне значення. Для багатополюсних або повнополюсних конструкцій вуха вирівнювання полюсного вуха можна використовувати як критерій для оцінки здатності конструкції та здатності контролювати процес елемента батареї. Метод пошарового аналізу може краще відповідати вимогам розташування та вирівнювання полюсного вуха.