Algemene oplossingsrelatie voor het ontwerp van de poolplaatafmetingen van cilindrische batterijen

Algemene oplossingsrelatie voor het ontwerp van de poolplaatafmetingen van cilindrische batterijen

Lithiumbatterijen kunnen worden ingedeeld in vierkante, zachte en cilindrische batterijen op basis van hun verpakkingsmethoden en -vormen. Onder hen hebben cilindrische batterijen kernvoordelen zoals goede consistentie, hoge productie-efficiëntie en lage productiekosten. Ze hebben een ontwikkelingsgeschiedenis van meer dan 30 jaar sinds hun oprichting in 1991. De afgelopen jaren, met de introductie van Tesla's all-pole-ear-technologie, is de toepassing van grote cilindrische batterijen op het gebied van stroombatterijen en energieopslag versneld en een onderzoeksproject geworden. hotspot voor grote lithiumbatterijbedrijven.

Figuur 1: Vergelijking van de prestaties op enkelvoudig en systeemniveau van lithiumbatterijen met verschillende vormen

De cilindrische batterijomhulling kan een stalen omhulsel, een aluminium omhulsel of een zacht pakket zijn. Het gemeenschappelijke kenmerk is dat het productieproces gebruik maakt van wikkeltechnologie, waarbij de wikkelnaald als kern wordt gebruikt en de wikkelnaald wordt aangedreven om te roteren om de isolatiefilm en de elektrodeplaat samen te wikkelen, waardoor uiteindelijk een relatief uniforme cilindrische wikkelkern wordt gevormd. Zoals weergegeven in de volgende afbeelding, is een typisch wikkelproces als volgt: eerst klemt de opwindnaald het diafragma vast voor het voorwikkelen van het diafragma, vervolgens wordt de negatieve elektrode tussen twee lagen isolatiefilm gestoken voor het voorwikkelen van de negatieve elektrode. en vervolgens wordt de positieve elektrode ingebracht voor snelle wikkeling. Nadat het opwikkelen is voltooid, snijdt het snijmechanisme de elektrode en het diafragma door en tenslotte wordt aan het uiteinde een laag plakband aangebracht om de vorm te fixeren.

Figuur 2: Schematisch diagram van het wikkelproces

De controle van de kerndiameter na het wikkelen is cruciaal. Als de diameter te groot is, kan deze niet worden gemonteerd, en als de diameter te klein is, is er ruimteverspilling. Daarom is een nauwkeurig ontwerp van de kerndiameter cruciaal. Gelukkig hebben cilindrische batterijen een relatief regelmatige geometrie, en kan de omtrek van elke laag elektrode en diafragma worden berekend door een cirkel te benaderen. Ten slotte kan de totale lengte van de elektrode worden geaccumuleerd om het capaciteitsontwerp te verkrijgen. De geaccumuleerde waarden van de naalddiameter, het aantal elektrodelagen en het nummer van de diafragmalaag zijn de diameter van de gewonden kern. Opgemerkt moet worden dat de kernelementen van het ontwerp van lithium-ionbatterijen het ontwerp van de capaciteit en het formaat zijn. Bovendien kunnen we door middel van theoretische berekeningen ook het pooloor op elke positie van de spoelkern ontwerpen, niet beperkt tot de kop, staart of het midden, en ook de ontwerpmethoden van meerpolig oor en volledig pooloor voor cilindrische batterijen behandelen. .

Om de kwesties van de elektrodelengte en kerndiameter te onderzoeken, moeten we eerst drie processen bestuderen: het oneindige voorwikkelen van de isolatiefilm, het oneindige voorwikkelen van de negatieve elektrode en het oneindige voorwikkelen van de positieve elektrode. Ervan uitgaande dat de diameter van de spoelnaald p is, is de dikte van de isolatiefilm s, is de dikte van de negatieve elektrode a en is de dikte van de positieve elektrode c, alles in millimeters.

• Oneindig voorwikkelproces van isolatiemembraan

Tijdens het voorwikkelproces van het diafragma worden twee lagen diafragma's tegelijkertijd gewikkeld, zodat de diameter van het buitenste diafragma tijdens het wikkelproces altijd één laag membraandikte (+1s) meer is dan het binnenste diafragma. De initiële diameter van de binnenmembraanwikkeling is de einddiameter van de voorgaande wikkeling, en voor elke voorwikkeling van het membraan neemt de kerndiameter toe met vier lagen membraandikte (+4s).

Bijlage 1: Diametervariatiewet van oneindig voorwikkelproces van isolatiemembraan

• Oneindig voorwikkelproces van de negatieve elektrode

Tijdens het voorwikkelproces van de negatieve elektrode, als gevolg van de toevoeging van een laag negatieve elektrode, is de diameter van het buitenste diafragma tijdens het wikkelproces altijd één laag meer dan de dikte van het binnenste diafragma en één laag negatieve elektrode ( +1s+1a), en de begindiameter van de binnenmembraanwikkeling is altijd gelijk aan de einddiameter van de vorige cirkel. Op dit moment neemt de kerndiameter voor elke voorwikkeling van de negatieve elektrode toe met vier diafragmalagen en twee lagen met een negatieve elektrodedikte (+4s+2a).

Bijlage 2: Diametervariatiewet van het oneindige voorwikkelproces van de negatieve elektrodeplaat

Oneindig wikkelproces van positieve elektrodeplaat

Tijdens het wikkelproces van de positieve elektrode is, als gevolg van de toevoeging van een nieuwe laag positieve elektrode, de initiële diameter van de positieve elektrode altijd gelijk aan de einddiameter van de vorige cirkel, terwijl de initiële diameter van de binnenmembraanwikkeling wordt de einddiameter van de vorige cirkel plus de dikte van één laag positieve elektrode (+1c). Tijdens het wikkelproces van het buitenmembraan is de diameter echter altijd slechts één laag groter dan de dikte van het binnenmembraan en één laag negatieve elektrode (+1s+1a). Op dit moment wordt de negatieve elektrode voor elke cirkel voorgewikkeld. De diameter van de spoelkern neemt toe met 4 lagen diafragma, 2 lagen negatieve elektrode en 2 lagen positieve elektrodedikte (+4s+2s+2a).

Bijlage 3: Wet van diametervariatie van de positieve elektrode tijdens een oneindig wikkelproces

Hierboven hebben we door de analyse van het oneindige wikkelproces van het diafragma en de elektrodeplaat het variatiepatroon van de kerndiameter en de lengte van de elektrodeplaat verkregen. Deze laag-voor-laag analytische berekeningsmethode is bevorderlijk voor het nauwkeurig bepalen van de positie van de elektrode-oren (inclusief enkelpolige oren, meerpolige oren en volledige pooloren), maar het wikkelproces is nog niet beëindigd. Op dit punt bevinden de positieve elektrodeplaat, de negatieve elektrodeplaat en de isolatiefilm zich in een vlakke toestand. Het basisprincipe van het batterijontwerp is dat de isolatiefilm de negatieve elektrodeplaat volledig moet bedekken. En de negatieve elektrode moet ook de positieve elektrode volledig bedekken.

Figuur 3: Schematisch diagram van de cilindrische batterijspoelstructuur en het sluitproces

Daarom is het noodzakelijk om de kwestie van het wikkelen van de negatieve kernelektrode en de isolatiefilm verder te onderzoeken. Omdat de positieve elektrode al is opgewonden en daarvoor de initiële diameter van de positieve elektrode altijd gelijk is aan de einddiameter van de vorige cirkel, vervangt de initiële diameter van het binnenlaagdiafragma uiteraard de einddiameter van de vorige cirkel. . Op deze basis vergroot de initiële diameter van de negatieve elektrode de dikte van één laag diafragma (+1s), en vergroot de initiële diameter van het buitenste diafragma met nog een laag negatieve elektrodedikte (+1s+1a).

Bijlage 4: Variaties in diameter en lengte van elektrode en diafragma tijdens het opwindproces van cilindrische batterijen

Tot nu toe hebben we de wiskundige uitdrukking verkregen van de lengte van de positieve plaat, de negatieve plaat en de isolatiefilm onder een willekeurig aantal wikkelcycli. Stel dat het diafragma m+1 cycli is voorgewonden, de negatieve plaat is voorgewonden n+1 cycli, de positieve plaat is x+1 cycli opgewonden en de centrale hoek van de negatieve plaat is θ °, de centrale isolatiehoek filmwikkeling is β°, dan is er de volgende relatie:

De bepaling van het aantal elektrode- en diafragmalagen bepaalt niet alleen de lengte van de elektrode en het diafragma, wat op zijn beurt het capaciteitsontwerp beïnvloedt, maar bepaalt ook de uiteindelijke diameter van de spoelkern, waardoor het montagerisico van de spoelkern aanzienlijk wordt verminderd. Hoewel we de diameter van de kern na het opwikkelen hebben verkregen, hebben we geen rekening gehouden met de dikte van het pooloor en het eindkleefpapier. Ervan uitgaande dat de dikte van het positieve oor tabc is, is de dikte van het negatieve oor taba, en is de eindkleefstof 1 cirkel en vermijdt het overlappende gebied de positie van het pooloor, met een dikte van g. Daarom is de uiteindelijke diameter van de kern:

De bovenstaande formule is de algemene oplossingsrelatie voor het ontwerp van cilindrische batterij-elektrodeplaten. Het bepaalt het probleem van de lengte van de elektrodeplaat, de diafragmalengte en de diameter van de spoelkern, en beschrijft kwantitatief de relatie daartussen, waardoor de ontwerpnauwkeurigheid aanzienlijk wordt verbeterd en een grote praktische toepassingswaarde heeft.

Wat we ten slotte moeten oplossen is het probleem van het plaatsen van de pooloren. Meestal zitten er één of twee pooloren of zelfs drie pooloren op één poolstuk, wat een klein aantal pooloren is. De lipkabel is aan het oppervlak van het poolstuk gelast. Hoewel dit de nauwkeurigheid van het ontwerp van de poolstuklengte tot op zekere hoogte kan beïnvloeden (zonder de diameter te beïnvloeden), is de lipkabel meestal smal en heeft deze weinig impact. Daarom wordt de algemene oplossingsformule voor het maatontwerp van cilindrische batterijen voorgesteld in dit artikel negeert dit probleem.

Figuur 4: Indeling van positieve en negatieve oorposities

Het bovenstaande diagram is een schematisch diagram van de plaatsing van poolnokken. Gebaseerd op de eerder voorgestelde algemene relatie tussen de grootte van de poolstukken, kunnen we de lengte- en diameterveranderingen van elke laag poolstukken tijdens het wikkelproces duidelijk begrijpen. Daarom kunnen bij het aanbrengen van poolnokken de positieve en negatieve nokken nauwkeurig worden gerangschikt op de doelpositie van het poolstuk in het geval van een enkele poolnokken, terwijl het bij meervoudige of volledige poolnokken meestal nodig is om de poolnokken uit te lijnen meerdere lagen poolnokken. Op basis hiervan hoeven we alleen maar af te wijken van de vaste hoek van elke laag nokken, om de plaatsingspositie van elke laag nokken te verkrijgen. Naarmate de diameter van de wikkelkern geleidelijk toeneemt tijdens het wikkelproces, wordt de totale opstellingsafstand van het oor ongeveer gewijzigd door de rekenkundige progressie met n (4s+2a+2c) als tolerantie.

Om de invloed van dikteschommelingen van elektrodeplaten en diafragma's op de diameter en lengte van de spoelkern verder te onderzoeken, waarbij de 4680 grote cilindrische oorcel met volledige elektrode als voorbeeld wordt genomen, ervan uitgaande dat de diameter van de spoelnaald 1 mm is, is de dikte van de sluittape is 16um, de dikte van de isolatiefilm is 10um, de koude persdikte van de positieve elektrodeplaat is 171um, de dikte tijdens het wikkelen is 174um, de koude persdikte van de negatieve elektrodeplaat is 249um, de dikte tijdens het wikkelen is 255um, en zowel het diafragma als de negatieve elektrodeplaten zijn 2 beurten voorgerold. Uit de berekening blijkt dat de positieve elektrodeplaat 47 windingen heeft, met een lengte van 3371,6 mm. De negatieve elektrode is 49,5 keer opgewonden, met een lengte van 3449,7 mm en een diameter van 44,69 mm na het opwinden.

Figuur 5: De invloed van dikteschommelingen van pool en diafragma op de kerndiameter en poollengte

Uit de bovenstaande figuur kan intuïtief worden gezien dat de fluctuatie in de dikte van het poolstuk en het diafragma een zekere invloed heeft op de diameter en lengte van de spoelkern. Wanneer de dikte van het poolstuk met 1 µm afwijkt, nemen de diameter en lengte van de spoelkern met ongeveer 0,2% toe, terwijl wanneer de dikte van het diafragma met 1 µm afwijkt, de diameter en lengte van de spoelkern met ongeveer 0,5% toenemen. Om de consistentie van de diameter van de spoelkern te controleren, moet daarom de fluctuatie van het poolstuk en het diafragma zoveel mogelijk worden geminimaliseerd. En het is ook noodzakelijk om de relatie tussen het terugveren van de elektrodeplaat en de tijd te verzamelen. tussen koudpersen en wikkelen, om te helpen bij het celontwerpproces.



Samenvatting

1. Capaciteitsontwerp en diameterontwerp zijn de ontwerplogica op het laagste niveau voor cilindrische lithiumbatterijen. De sleutel tot capaciteitsontwerp ligt in de lengte van de elektrode, terwijl de sleutel tot diameterontwerp ligt in de analyse van het aantal lagen.
2. De opstelling van de pooloorposities is ook cruciaal. Voor meerpolige oor- of volledig-polige oorconstructies kan de uitlijning van het pooloor worden gebruikt als criterium voor het evalueren van het ontwerpvermogen en het procescontrolevermogen van de batterijcel. De methode van laag-voor-laag-analyse kan beter voldoen aan de eisen van opstelling en uitlijning van de pooloorpositie.