Γενική Σχέση Λύσης Σχεδιασμού Διαστάσεων Πλάκας Πόλων Κυλινδρικών Μπαταριών

Γενική Σχέση Λύσης Σχεδιασμού Διαστάσεων Πλάκας Πόλων Κυλινδρικών Μπαταριών

Οι μπαταρίες λιθίου μπορούν να ταξινομηθούν σε τετράγωνες, μαλακές και κυλινδρικές μπαταρίες με βάση τις μεθόδους συσκευασίας και το σχήμα τους. Μεταξύ αυτών, οι κυλινδρικές μπαταρίες έχουν βασικά πλεονεκτήματα όπως η καλή συνοχή, η υψηλή απόδοση παραγωγής και το χαμηλό κόστος κατασκευής. Έχουν μια ιστορία ανάπτυξης πάνω από 30 χρόνια από την έναρξή τους το 1991. Τα τελευταία χρόνια, με την κυκλοφορία της τεχνολογίας all pole ear της Tesla, η εφαρμογή μεγάλων κυλινδρικών μπαταριών στους τομείς των μπαταριών ισχύος και της αποθήκευσης ενέργειας έχει επιταχυνθεί και έγινε έρευνα hotspot για μεγάλες εταιρείες μπαταριών λιθίου.

Σχήμα 1: Σύγκριση απόδοσης στα επίπεδα ενός και συστήματος μπαταριών λιθίου με διαφορετικά σχήματα

Το κυλινδρικό κέλυφος μπαταρίας μπορεί να είναι ένα κέλυφος από χάλυβα, ένα κέλυφος από αλουμίνιο ή μια μαλακή συσκευασία. Το κοινό χαρακτηριστικό του είναι ότι η διαδικασία κατασκευής υιοθετεί την τεχνολογία περιέλιξης, η οποία χρησιμοποιεί τη βελόνα περιέλιξης ως πυρήνα και οδηγεί τη βελόνα περιέλιξης να περιστρέφεται σε στρώμα και να τυλίγει το φιλμ απομόνωσης και την πλάκα ηλεκτροδίου μαζί, σχηματίζοντας τελικά έναν σχετικά ομοιόμορφο κυλινδρικό πυρήνα περιέλιξης. Όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, μια τυπική διαδικασία περιέλιξης είναι η εξής: πρώτα, η βελόνα περιέλιξης σφίγγει το διάφραγμα για προ-τύλιγμα του διαφράγματος, στη συνέχεια το αρνητικό ηλεκτρόδιο εισάγεται μεταξύ δύο στρωμάτων μονωτικής μεμβράνης για προ-τύλιγμα του αρνητικού ηλεκτροδίου. και στη συνέχεια εισάγεται το θετικό ηλεκτρόδιο για τύλιγμα υψηλής ταχύτητας. Μετά την ολοκλήρωση της περιέλιξης, ο μηχανισμός κοπής κόβει το ηλεκτρόδιο και το διάφραγμα και, τέλος, εφαρμόζεται ένα στρώμα κολλητικής ταινίας στο τέλος για να σταθεροποιήσει το σχήμα.

Εικόνα 2: Σχηματικό διάγραμμα διαδικασίας περιέλιξης

Ο έλεγχος της διαμέτρου του πυρήνα μετά την περιέλιξη είναι ζωτικής σημασίας. Εάν η διάμετρος είναι πολύ μεγάλη, δεν μπορεί να συναρμολογηθεί και εάν η διάμετρος είναι πολύ μικρή, υπάρχει σπατάλη χώρου. Επομένως, ο ακριβής σχεδιασμός της διαμέτρου του πυρήνα είναι ζωτικής σημασίας. Ευτυχώς, οι κυλινδρικές μπαταρίες είναι σχετικά κανονικές γεωμετρίες και η περιφέρεια κάθε στρώματος ηλεκτροδίου και διαφράγματος μπορεί να υπολογιστεί προσεγγίζοντας έναν κύκλο. Τέλος, το συνολικό μήκος του ηλεκτροδίου μπορεί να συσσωρευτεί για να ληφθεί ο σχεδιασμός χωρητικότητας. Οι συσσωρευμένες τιμές της διαμέτρου της βελόνας, του αριθμού στρώματος ηλεκτροδίου και του αριθμού στρώματος διαφράγματος είναι η διάμετρος του πυρήνα του τραύματος. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι τα βασικά στοιχεία του σχεδιασμού της μπαταρίας ιόντων λιθίου είναι ο σχεδιασμός χωρητικότητας και ο σχεδιασμός μεγέθους. Επιπλέον, μέσω θεωρητικών υπολογισμών, μπορούμε επίσης να σχεδιάσουμε το αυτί του πόλου σε οποιαδήποτε θέση του πυρήνα του πηνίου, χωρίς να περιορίζεται στο κεφάλι, την ουρά ή το κέντρο, και επίσης να καλύψουμε τις μεθόδους σχεδιασμού του αυτιού πολλαπλών πόλων και του αυτιού όλων των πόλων για κυλινδρικές μπαταρίες .

Για να διερευνήσουμε τα ζητήματα του μήκους του ηλεκτροδίου και της διαμέτρου του πυρήνα, πρέπει πρώτα να μελετήσουμε τρεις διαδικασίες: άπειρη προ-τύλιγμα του φιλμ απομόνωσης, άπειρη προ-τύλιγμα του αρνητικού ηλεκτροδίου και άπειρη περιέλιξη του θετικού ηλεκτροδίου. Υποθέτοντας ότι η διάμετρος της βελόνας του πηνίου είναι p, το πάχος της μεμβράνης απομόνωσης είναι s, το πάχος του αρνητικού ηλεκτροδίου είναι a και το πάχος του θετικού ηλεκτροδίου είναι c, όλα σε χιλιοστά.

• Άπειρη διαδικασία προ τύλιξης της μεμβράνης απομόνωσης

Κατά τη διαδικασία προ-τύλιξης του διαφράγματος, τυλίγονται δύο στρώματα διαφραγμάτων ταυτόχρονα, επομένως η διάμετρος του εξωτερικού διαφράγματος κατά τη διαδικασία περιέλιξης είναι πάντα ένα στρώμα πάχους διαφράγματος (+1s) περισσότερο από το εσωτερικό διάφραγμα. Η αρχική διάμετρος της περιέλιξης του εσωτερικού διαφράγματος είναι η τελική διάμετρος της προηγούμενης περιέλιξης και για κάθε προτύλιγμα του διαφράγματος, η διάμετρος του πυρήνα αυξάνεται κατά τέσσερα στρώματα πάχους διαφράγματος (+4s).

Παράρτημα 1: Νόμος μεταβολής διαμέτρου άπειρης διαδικασίας προ τύλιξης μεμβράνης απομόνωσης

• Άπειρη διαδικασία προ-τύλιξης αρνητικού ηλεκτροδίου

Κατά τη διαδικασία προ-τύλιξης του αρνητικού ηλεκτροδίου, λόγω της προσθήκης ενός στρώματος αρνητικού ηλεκτροδίου, η διάμετρος του εξωτερικού διαφράγματος κατά τη διαδικασία περιέλιξης είναι πάντα ένα στρώμα μεγαλύτερη από το πάχος του εσωτερικού διαφράγματος και ένα στρώμα αρνητικού ηλεκτροδίου ( +1s+1a), και η αρχική διάμετρος της περιέλιξης του εσωτερικού διαφράγματος είναι πάντα ίση με την τελική διάμετρο του προηγούμενου κύκλου. Αυτή τη στιγμή, για κάθε προ-τύλιγμα του αρνητικού ηλεκτροδίου, η διάμετρος του πυρήνα αυξάνεται κατά τέσσερα στρώματα διαφράγματος και δύο στρώματα πάχους αρνητικού ηλεκτροδίου (+4s+2a).

Παράρτημα 2: Νόμος μεταβολής διαμέτρου της άπειρης διαδικασίας προ τύλιξης της πλάκας αρνητικού ηλεκτροδίου

Άπειρη διαδικασία περιέλιξης πλάκας θετικού ηλεκτροδίου

Κατά τη διαδικασία περιέλιξης του θετικού ηλεκτροδίου, λόγω της προσθήκης ενός νέου στρώματος θετικού ηλεκτροδίου, η αρχική διάμετρος του θετικού ηλεκτροδίου είναι πάντα ίση με την τελική διάμετρο του προηγούμενου κύκλου, ενώ η αρχική διάμετρος της περιέλιξης του εσωτερικού διαφράγματος γίνεται την τελική διάμετρο του προηγούμενου κύκλου συν το πάχος μιας στρώσης θετικού ηλεκτροδίου (+1c). Ωστόσο, κατά τη διαδικασία περιέλιξης του εξωτερικού διαφράγματος, η διάμετρος είναι πάντα μόνο ένα στρώμα μεγαλύτερη από το πάχος του εσωτερικού διαφράγματος και ένα στρώμα αρνητικού ηλεκτροδίου (+1s+1a). Αυτή τη στιγμή, το αρνητικό ηλεκτρόδιο είναι προ-τυλιγμένο για κάθε κύκλο, Η διάμετρος του πυρήνα του πηνίου αυξάνεται κατά 4 στρώματα διαφράγματος, 2 στρώματα αρνητικού ηλεκτροδίου και 2 στρώματα πάχους θετικού ηλεκτροδίου (+4s+2s+2a).

Παράρτημα 3: Νόμος μεταβολής διαμέτρου του θετικού ηλεκτροδίου κατά τη διάρκεια της διαδικασίας άπειρης περιέλιξης

Παραπάνω, μέσω της ανάλυσης της άπειρης διαδικασίας περιέλιξης του διαφράγματος και της πλάκας ηλεκτροδίου, λάβαμε το σχέδιο μεταβολής της διαμέτρου του πυρήνα και του μήκους της πλάκας του ηλεκτροδίου. Αυτή η αναλυτική μέθοδος υπολογισμού στρώσης προς στρώμα συμβάλλει στην ακριβή διάταξη των αυτιών των ηλεκτροδίων (συμπεριλαμβανομένων μονοπολικών αυτιών, πολυπολικών αυτιών και πλήρους πόλων), αλλά η διαδικασία περιέλιξης δεν έχει ακόμη τελειώσει. Σε αυτό το σημείο, η πλάκα θετικού ηλεκτροδίου, η πλάκα αρνητικού ηλεκτροδίου και η μεμβράνη απομόνωσης βρίσκονται σε κατάσταση έκπλυσης. Η βασική αρχή του σχεδιασμού της μπαταρίας είναι να απαιτείται η μεμβράνη απομόνωσης να καλύπτει πλήρως την πλάκα του αρνητικού ηλεκτροδίου και το αρνητικό ηλεκτρόδιο θα πρέπει επίσης να καλύπτει πλήρως το θετικό ηλεκτρόδιο.

Εικόνα 3: Σχηματικό διάγραμμα κυλινδρικής δομής πηνίου μπαταρίας και διαδικασία κλεισίματος

Ως εκ τούτου, είναι απαραίτητο να διερευνηθεί περαιτέρω το ζήτημα της περιέλιξης του αρνητικού ηλεκτροδίου πυρήνα και του φιλμ απομόνωσης. Προφανώς, εφόσον το θετικό ηλεκτρόδιο έχει ήδη τυλιχθεί και πριν από αυτό, η αρχική διάμετρος του θετικού ηλεκτροδίου είναι πάντα ίση με την ακραία διάμετρο του προηγούμενου κύκλου, η αρχική διάμετρος του διαφράγματος του εσωτερικού στρώματος αντικαθιστά την ακραία διάμετρο του προηγούμενου κύκλου . Σε αυτή τη βάση, η αρχική διάμετρος του αρνητικού ηλεκτροδίου αυξάνει το πάχος μιας στρώσης διαφράγματος (+1s), Αυξάνει την αρχική διάμετρο του εξωτερικού διαφράγματος κατά ένα ακόμη στρώμα πάχους αρνητικού ηλεκτροδίου (+1s+1a).

Παράρτημα 4: Διακυμάνσεις στη διάμετρο και το μήκος του ηλεκτροδίου και του διαφράγματος κατά τη διαδικασία περιέλιξης κυλινδρικών μπαταριών

Μέχρι στιγμής, έχουμε λάβει τη μαθηματική έκφραση του μήκους της θετικής πλάκας, της αρνητικής πλάκας και της μεμβράνης απομόνωσης σε οποιονδήποτε αριθμό κύκλων περιέλιξης. Ας υποθέσουμε ότι το διάφραγμα είναι πριν από το τραύμα m+1 κύκλους, η αρνητική πλάκα είναι πριν από το τραύμα n+1 κύκλοι, η θετική πλάκα είναι τυλιγμένη x+1 κύκλοι και η κεντρική γωνία της αρνητικής πλάκας είναι θ °, η κεντρική γωνία απομόνωσης Η περιέλιξη του φιλμ είναι β °, τότε υπάρχει η ακόλουθη σχέση:

Ο προσδιορισμός του αριθμού των στρωμάτων ηλεκτροδίου και διαφράγματος όχι μόνο καθορίζει το μήκος του ηλεκτροδίου και του διαφράγματος, το οποίο με τη σειρά του επηρεάζει το σχεδιασμό χωρητικότητας, αλλά καθορίζει επίσης την τελική διάμετρο του πυρήνα του πηνίου, μειώνοντας σημαντικά τον κίνδυνο συναρμολόγησης του πυρήνα του πηνίου. Αν και λάβαμε τη διάμετρο του πυρήνα μετά την περιέλιξη, δεν λάβαμε υπόψη το πάχος του αυτιού του πόλου και του τελικού αυτοκόλλητου χαρτιού. Υποθέτοντας ότι το πάχος του θετικού αυτιού είναι tabc, το πάχος του αρνητικού αυτιού είναι taba και η κόλλα τερματισμού είναι 1 κύκλος και η επικαλυπτόμενη περιοχή αποφεύγει τη θέση του πόλου αυτιού, με πάχος g. Επομένως, η τελική διάμετρος του πυρήνα είναι:

Ο παραπάνω τύπος είναι η γενική σχέση λύσης για το σχεδιασμό κυλινδρικών πλακών ηλεκτροδίων μπαταρίας. Καθορίζει το πρόβλημα του μήκους της πλάκας του ηλεκτροδίου, του μήκους του διαφράγματος και της διαμέτρου του πυρήνα του πηνίου και περιγράφει ποσοτικά τη σχέση μεταξύ τους, βελτιώνοντας σημαντικά την ακρίβεια σχεδιασμού και έχοντας μεγάλη πρακτική αξία εφαρμογής.

Τέλος, αυτό που πρέπει να λύσουμε είναι το πρόβλημα της τακτοποίησης των αυτιών του κοντάρι. Συνήθως, υπάρχουν ένα ή δύο πόλων αυτιά ή ακόμα και τρία πόλων αυτιά σε ένα κομμάτι κοντάρι, που είναι ένας μικρός αριθμός πόλων αυτιά. Το καλώδιο της γλωττίδας συγκολλάται στην επιφάνεια του κομματιού στύλου. Αν και μπορεί να επηρεάσει την ακρίβεια του σχεδιασμού του μήκους του κομματιού πόλου σε κάποιο βαθμό (χωρίς να επηρεάζει τη διάμετρο), το καλώδιο της γλωττίδας είναι συνήθως στενό και έχει μικρό αντίκτυπο. Επομένως, η γενική φόρμουλα λύσης για το σχεδιασμό μεγέθους κυλινδρικών μπαταριών που προτείνεται σε αυτό το άρθρο αγνοεί αυτό το ζήτημα.

Εικόνα 4: Διάταξη θετικών και αρνητικών θέσεων αυτιού

Το παραπάνω διάγραμμα είναι ένα σχηματικό διάγραμμα τοποθέτησης ωτίδων πόλων. Με βάση την προηγουμένως προτεινόμενη γενική σχέση του μεγέθους του κομματιού πόλου, μπορούμε να κατανοήσουμε ξεκάθαρα τις αλλαγές μήκους και διαμέτρου κάθε στρώματος τεμαχίων πόλου κατά τη διάρκεια της διαδικασίας περιέλιξης. Ως εκ τούτου, κατά τη διάταξη των ωτίων πόλων, τα θετικά και αρνητικά ωτία μπορούν να τοποθετηθούν με ακρίβεια στη θέση στόχο του στελέχους στην περίπτωση ενός ωτίου πόλων, ενώ για την περίπτωση των ωτίων πολλαπλών ή πλήρους πόλων, συνήθως απαιτείται ευθυγράμμιση πολλαπλές στρώσεις ωτίδων πόλων, Σε αυτή τη βάση, χρειάζεται μόνο να αποκλίνουμε από τη σταθερή γωνία κάθε στρώσης ωτίδας, έτσι ώστε να λάβουμε τη θέση διάταξης κάθε στρώσης ωτίδας. Καθώς η διάμετρος του πυρήνα περιέλιξης αυξάνεται σταδιακά κατά τη διάρκεια της διαδικασίας περιέλιξης, η συνολική απόσταση διάταξης του ωτίου αλλάζει κατά προσέγγιση από την αριθμητική πρόοδο με π (4s+2a+2c) ως ανοχή.

Προκειμένου να διερευνηθεί περαιτέρω η επίδραση των διακυμάνσεων του πάχους των πλακών και των διαφραγμάτων ηλεκτροδίων στη διάμετρο και το μήκος του πυρήνα του πηνίου, λαμβάνοντας ως παράδειγμα το μεγάλο κυλινδρικό κύτταρο αυτιού πλήρους ηλεκτροδίου, με την προϋπόθεση ότι η διάμετρος της βελόνας του πηνίου είναι 1 mm, το πάχος του η ταινία κλεισίματος είναι 16um, το πάχος της μεμβράνης απομόνωσης είναι 10um, το πάχος ψυχρής πίεσης της πλάκας θετικού ηλεκτροδίου είναι 171um, το πάχος κατά την περιέλιξη είναι 174um, το πάχος ψυχρής πίεσης της πλάκας αρνητικού ηλεκτροδίου είναι 249um, το πάχος κατά την περιέλιξη είναι 255um και τόσο το διάφραγμα όσο και η πλάκα του αρνητικού ηλεκτροδίου είναι προ-τυλιγμένα για 2 στροφές. Ο υπολογισμός δείχνει ότι η πλάκα του θετικού ηλεκτροδίου τυλίγεται για 47 στροφές, με μήκος 3371,6 mm, Το αρνητικό ηλεκτρόδιο τυλίγεται 49,5 φορές, με μήκος 3449,7 mm και διάμετρο 44,69 mm μετά την περιέλιξη.

Εικόνα 5: Η επίδραση της διακύμανσης του πάχους του πόλου και του διαφράγματος στη διάμετρο του πυρήνα και στο μήκος του πόλου

Από το παραπάνω σχήμα, μπορεί να φανεί διαισθητικά ότι η διακύμανση του πάχους του κομματιού πόλων και του διαφράγματος έχει κάποιο αντίκτυπο στη διάμετρο και το μήκος του πυρήνα του πηνίου. Όταν το πάχος του πόλου αποκλίνει κατά 1um, η διάμετρος και το μήκος του πυρήνα του πηνίου αυξάνονται κατά περίπου 0,2%, ενώ όταν το πάχος του διαφράγματος αποκλίνει κατά 1um, η διάμετρος και το μήκος του πυρήνα του πηνίου αυξάνονται κατά περίπου 0,5%. Επομένως, για να ελεγχθεί η συνοχή της διαμέτρου του πυρήνα του πηνίου, η διακύμανση του κομματιού πόλων και του διαφράγματος θα πρέπει να ελαχιστοποιηθεί όσο το δυνατόν περισσότερο, και είναι επίσης απαραίτητο να συλλεχθεί η σχέση μεταξύ της ανάκαμψης της πλάκας του ηλεκτροδίου και του χρόνου μεταξύ ψυχρής έκθλιψης και περιέλιξης, προκειμένου να βοηθήσει στη διαδικασία σχεδιασμού των κυψελών.



Περίληψη

1. Ο σχεδιασμός χωρητικότητας και ο σχεδιασμός διαμέτρου είναι η λογική σχεδιασμού χαμηλότερου επιπέδου για τις κυλινδρικές μπαταρίες λιθίου. Το κλειδί για το σχεδιασμό χωρητικότητας βρίσκεται στο μήκος του ηλεκτροδίου, ενώ το κλειδί για το σχεδιασμό της διαμέτρου βρίσκεται στην ανάλυση του αριθμού των στρωμάτων.
2. Η διάταξη των θέσεων του πόλου αυτιού είναι επίσης καθοριστική. Για πολυπολικές δομές αυτιού ή πλήρους πόλους αυτιού, η ευθυγράμμιση αυτιού πόλων μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως κριτήριο για την αξιολόγηση της ικανότητας σχεδιασμού και της ικανότητας ελέγχου της διαδικασίας του στοιχείου μπαταρίας. Η μέθοδος ανάλυσης στρώσης προς στρώμα μπορεί να ανταποκριθεί καλύτερα στις απαιτήσεις της διάταξης και της ευθυγράμμισης της θέσης του πόλου του αυτιού.