Обща връзка на решението за проектиране на размерите на полюсната плоча на цилиндрични батерии

Обща връзка на решението за проектиране на размерите на полюсната плоча на цилиндрични батерии

Литиевите батерии могат да бъдат класифицирани в квадратни, меки и цилиндрични батерии въз основа на техните методи на опаковане и форми. Сред тях цилиндричните батерии имат основни предимства като добра консистенция, висока производствена ефективност и ниски производствени разходи. Те имат история на развитие от над 30 години от създаването им през 1991 г. През последните години, с пускането на технологията за всички полюсни уши на Tesla, приложението на големи цилиндрични батерии в областта на захранващите батерии и съхранението на енергия се ускори, превръщайки се в изследователска гореща точка за големи компании за литиеви батерии.

Фигура 1: Сравнение на производителността на единични и системни нива на литиеви батерии с различни форми

Цилиндричната обвивка на батерията може да бъде стоманена обвивка, алуминиева обвивка или мека опаковка. Неговата обща характеристика е, че производственият процес приема технология за навиване, която използва иглата за навиване като сърцевина и задвижва иглата за навиване да се върти до слой и да обвие заедно изолационния филм и електродната плоча, като в крайна сметка образува относително еднакво цилиндрично ядро ​​за навиване. Както е показано на следващата фигура, типичният процес на навиване е както следва: първо иглата за навиване захваща диафрагмата за предварително навиване на диафрагмата, след което отрицателният електрод се вкарва между два слоя изолиращ филм за предварително навиване на отрицателния електрод, и след това положителният електрод се вкарва за високоскоростно навиване. След завършване на навиването режещият механизъм срязва електрода и диафрагмата и накрая се нанася слой лепяща лента в края за фиксиране на формата.

Фигура 2: Схематична диаграма на процеса на навиване

Контролът на диаметъра на сърцевината след навиване е от решаващо значение. Ако диаметърът е твърде голям, не може да се сглоби, а ако диаметърът е твърде малък, има загуба на място. Следователно точното проектиране на диаметъра на сърцевината е от решаващо значение. За щастие, цилиндричните батерии са с относително правилна геометрия и обиколката на всеки слой от електрод и диафрагма може да се изчисли чрез приближаване на кръг. И накрая, общата дължина на електрода може да се натрупа, за да се получи дизайнът на капацитета. Натрупаните стойности на диаметъра на иглата, броя на слоя на електрода и броя на слоя на диафрагмата са диаметърът на сърцевината на раната. Трябва да се отбележи, че основните елементи на дизайна на литиево-йонната батерия са дизайнът на капацитета и дизайнът на размера. В допълнение, чрез теоретични изчисления, ние можем също така да проектираме полюсното ухо във всяка позиция на сърцевината на бобината, без да се ограничаваме до главата, опашката или центъра, и също така да покрием методите за проектиране на многополюсно ухо и всички полюси ухо за цилиндрични батерии .

За да проучим проблемите с дължината на електрода и диаметъра на сърцевината, първо трябва да проучим три процеса: безкрайно предварително навиване на изолационния филм, безкрайно предварително навиване на отрицателния електрод и безкрайно навиване на положителния електрод. Ако приемем, че диаметърът на иглата на бобината е p, дебелината на изолационния филм е s, дебелината на отрицателния електрод е a, а дебелината на положителния електрод е c, всичко в милиметри.

• Безкраен процес на предварително навиване на изолационна мембрана

По време на процеса на предварително навиване на диафрагмата два слоя диафрагми се навиват едновременно, така че диаметърът на външната диафрагма по време на процеса на навиване винаги е с още един слой дебелина на диафрагмата (+1s) от вътрешната диафрагма. Първоначалният диаметър на вътрешната намотка на диафрагмата е крайният диаметър на предишната намотка и за всяка предварителна намотка на диафрагмата диаметърът на сърцевината се увеличава с четири слоя дебелина на диафрагмата (+4s).

Приложение 1: Закон за промяна на диаметъра на безкраен процес на предварително навиване на изолационна мембрана

• Безкраен процес на предварително навиване на отрицателен електрод

По време на процеса на предварително навиване на отрицателния електрод, поради добавянето на слой отрицателен електрод, диаметърът на външната диафрагма по време на процеса на навиване винаги е с един слой повече от дебелината на вътрешната диафрагма и един слой отрицателен електрод ( +1s+1a), а началният диаметър на намотката на вътрешната диафрагма винаги е равен на крайния диаметър на предишния кръг. По това време, за всяко предварително навиване на отрицателния електрод, диаметърът на сърцевината се увеличава с четири слоя диафрагма и два слоя дебелина на отрицателния електрод (+4s+2a).

Допълнение 2: Закон за промяна на диаметъра на безкрайния процес на предварително навиване на пластината с отрицателен електрод

Безкраен процес на навиване на пластина с положителен електрод

По време на процеса на навиване на положителния електрод, поради добавянето на нов слой положителен електрод, първоначалният диаметър на положителния електрод винаги е равен на крайния диаметър на предишния кръг, докато началният диаметър на вътрешната намотка на диафрагмата става крайният диаметър на предишния кръг плюс дебелината на един слой положителен електрод (+1c). Въпреки това, по време на процеса на навиване на външната диафрагма, диаметърът винаги е само един слой повече от дебелината на вътрешната диафрагма и един слой на отрицателния електрод (+1s+1a). По това време отрицателният електрод е предварително навит за всеки кръг. Диаметърът на сърцевината на намотката се увеличава с 4 слоя диафрагма, 2 слоя отрицателен електрод и 2 слоя дебелина на положителния електрод (+4s+2s+2a).

Приложение 3: Закон за изменение на диаметъра на положителния електрод по време на безкраен процес на навиване

По-горе, чрез анализа на безкрайния процес на навиване на диафрагмата и електродната плоча, получихме модела на вариация на диаметъра на сърцевината и дължината на електродната плоча. Този метод за аналитично изчисление слой по слой е благоприятен за точното подреждане на позицията на електродните уши (включително еднополюсни уши, многополюсни уши и пълнополюсни уши), но процесът на навиване все още не е приключил. В този момент плочата с положителен електрод, плочата с отрицателен електрод и изолационният филм са в състояние на промиване. Основният принцип на дизайна на батерията е да се изисква изолиращият филм да покрива изцяло плочата на отрицателния електрод, а отрицателният електрод също трябва да покрива напълно положителния електрод.

Фигура 3: Схематична диаграма на структура на намотка на цилиндрична батерия и процес на затваряне

Следователно е необходимо да се проучи допълнително въпросът за навиването на сърцевината на отрицателния електрод и изолационния филм. Очевидно, тъй като положителният електрод вече е навит и преди това първоначалният диаметър на положителния електрод винаги е равен на крайния диаметър на предишния кръг, началният диаметър на диафрагмата на вътрешния слой замества крайния диаметър на предишния кръг . На тази основа първоначалният диаметър на отрицателния електрод увеличава дебелината на един слой диафрагма (+1s), Увеличете първоначалния диаметър на външната диафрагма с още един слой дебелина на отрицателния електрод (+1s+1a).

Допълнение 4: Вариации в диаметъра и дължината на електрода и диафрагмата по време на процеса на навиване на цилиндрични батерии

Досега сме получили математическия израз на дължината на положителната плоча, отрицателната плоча и изолационния филм при произволен брой цикли на навиване. Да предположим, че диафрагмата е предварително навита m+1 цикъла, отрицателната плоча е предварително навита n+1 цикъла, положителната плоча е навита x+1 цикъла, а централният ъгъл на отрицателната плоча е θ °, централният ъгъл на изолация намотката на филма е β °, тогава има следната връзка:

Определянето на броя на слоевете на електрода и диафрагмата не само определя дължината на електрода и диафрагмата, което от своя страна влияе върху дизайна на капацитета, но също така определя крайния диаметър на сърцевината на бобината, което значително намалява риска от сглобяване на сърцевината на бобината. Въпреки че получихме диаметъра на сърцевината след навиване, не взехме предвид дебелината на ухото на стълба и крайната лепилна хартия. Ако приемем, че дебелината на положителното ухо е tabc, дебелината на отрицателното ухо е taba, а крайното лепило е 1 кръг и зоната на припокриване избягва позицията на полюсното ухо, с дебелина g. Следователно крайният диаметър на сърцевината е:

Горната формула е общата връзка на решението за дизайна на цилиндрични акумулаторни електродни пластини. Той определя проблема с дължината на електродната плоча, дължината на диафрагмата и диаметъра на сърцевината на намотката и количествено описва връзката между тях, значително подобрявайки точността на дизайна и имайки голяма практическа стойност.

И накрая, това, което трябва да решим, е проблемът с подреждането на ушите. Обикновено има едно или две уши или дори три уши на един полюс, което е малък брой уши. Изводът за накрайник е заварен към повърхността на полюсната част. Въпреки че може да повлияе до известна степен на точността на дизайна на дължината на полюсния накрайник (без да се засяга диаметърът), изводът обикновено е тесен и има малко влияние, следователно общата формула за решение за дизайна на размера на цилиндрични батерии, предложена в тази статия игнорира този проблем.

Фигура 4: Оформление на положителните и отрицателните позиции на ухото

Горната диаграма е схематична диаграма на разположението на стълбовите накрайници. Въз основа на предложената по-рано обща връзка на размера на полюсните накрайници, можем ясно да разберем промените в дължината и диаметъра на всеки слой полюсни накрайници по време на процеса на навиване. Следователно, когато подреждате полюсни накрайници, положителните и отрицателните накрайници могат да бъдат точно подредени в целевата позиция на полюсния наконечник в случай на единичен полюс накрайник, докато в случай на множество или пълни полюсни накрайници обикновено се изисква подравняване множество слоеве накрайници. На тази основа трябва само да се отклоним от фиксирания ъгъл на всеки слой накрайници, така че да получим позицията на разположение на всеки слой накрайници. Тъй като диаметърът на сърцевината на навиване постепенно се увеличава по време на процеса на навиване, общото разстояние на разположение на ухото се променя приблизително чрез аритметична прогресия с π (4s+2a+2c) като толеранс.

За по-нататъшно изследване на влиянието на колебанията в дебелината на електродните плочи и диафрагми върху диаметъра и дължината на сърцевината на намотката, като вземем за пример 4680 голяма цилиндрична ушна клетка с пълен електрод, като приемем, че диаметърът на иглата на намотката е 1 мм, дебелината на затварящата лента е 16um, дебелината на изолационния филм е 10um, дебелината на студеното пресоване на пластината на положителния електрод е 171um, дебелината по време на навиване е 174um, дебелината на студеното пресоване на пластината на отрицателния електрод е 249um, дебелината по време на навиване е 255 um и както диафрагмата, така и пластините на отрицателния електрод са предварително навити за 2 оборота. Изчислението показва, че плочата на положителния електрод е навита за 47 оборота, с дължина 3371,6 mm, Отрицателният електрод е навит 49,5 пъти, с дължина 3449,7 mm и диаметър 44,69 mm след навиване.

Фигура 5: Влиянието на флуктуацията на дебелината на полюса и диафрагмата върху диаметъра на сърцевината и дължината на полюса

От горната фигура може интуитивно да се види, че колебанията в дебелината на полюсната част и диафрагмата оказват определено влияние върху диаметъра и дължината на сърцевината на намотката. Когато дебелината на полюсния накрайник се отклонява с 1 um, диаметърът и дължината на сърцевината на намотката се увеличават с около 0,2%, докато когато дебелината на диафрагмата се отклонява с 1 um, диаметърът и дължината на сърцевината на намотката се увеличават с около 0,5%. Следователно, за да се контролира последователността на диаметъра на сърцевината на бобината, колебанията на полюсната част и диафрагмата трябва да бъдат сведени до минимум, доколкото е възможно, и също така е необходимо да се събере връзката между отскока на електродната плоча и времето между студено пресоване и навиване, за да подпомогне процеса на проектиране на клетката.



Резюме

1. Дизайнът на капацитета и дизайнът на диаметъра са най-ниското ниво на проектна логика за цилиндрични литиеви батерии. Ключът към дизайна на капацитета се крие в дължината на електрода, докато ключът към дизайна на диаметъра се крие в анализа на броя на слоевете.
2. Подреждането на позициите на ушите също е от решаващо значение. За структури с многополюсно ухо или пълнополюсно ухо, подравняването на полюсното ухо може да се използва като критерий за оценка на способността за проектиране и способността за контрол на процеса на акумулаторната клетка. Методът на анализ слой по слой може по-добре да отговори на изискванията за подреждане и подравняване на позицията на полюсното ухо.