Generell løsningsrelasjon for design av polplatedimensjoner på sylindriske batterier

Generell løsningsforhold for design av polplatedimensjoner på sylindriske batterier

Litiumbatterier kan klassifiseres i firkantede, myke batterier og sylindriske batterier basert på deres emballasjemetoder og -former. Blant dem har sylindriske batterier kjernefordeler som god konsistens, høy produksjonseffektivitet og lave produksjonskostnader. De har en utviklingshistorie på over 30 år siden oppstarten i 1991. De siste årene, med lanseringen av Teslas all-pole ear-teknologi, har bruken av store sylindriske batterier innen kraftbatterier og energilagring akselerert, og har blitt en forskning hotspot for store litiumbatteriselskaper.

Figur 1: Sammenligning av ytelse på enkelt- og systemnivå for litiumbatterier med forskjellige former

Det sylindriske batteriskallet kan være et stålskall, et aluminiumsskall eller en myk pakke. Dens fellestrekk er at produksjonsprosessen tar i bruk viklingsteknologi, som bruker viklingsnålen som kjerne og driver viklingsnålen til å rotere til lag og vikle isolasjonsfilmen og elektrodeplaten sammen, og til slutt danner en relativt jevn sylindrisk viklingskjerne. Som vist i følgende figur er en typisk viklingsprosess som følger: først klemmer viklingsnålen membranen for forhåndsvikling av membranen, deretter settes den negative elektroden inn mellom to lag med isolasjonsfilm for forhåndsvikling av den negative elektroden, og deretter settes den positive elektroden inn for høyhastighetsvikling. Etter at viklingen er fullført, kutter skjæremekanismen elektroden og membranen, og til slutt påføres et lag med tape på enden for å fikse formen.

Figur 2: Skjematisk diagram av viklingsprosessen

Kontrollen av kjernediameteren etter vikling er avgjørende. Hvis diameteren er for stor, kan den ikke monteres, og hvis diameteren er for liten, er det sløsing med plass. Derfor er nøyaktig utforming av kjernediameteren avgjørende. Heldigvis er sylindriske batterier relativt vanlige geometrier, og omkretsen av hvert lag med elektrode og membran kan beregnes ved å tilnærme en sirkel. Til slutt kan den totale lengden av elektroden akkumuleres for å oppnå kapasitetsdesignet. De akkumulerte verdiene for nåldiameter, elektrodelagnummer og diafragmalagnummer er diameteren til sårkjernen. Det skal bemerkes at kjerneelementene i litium-ion-batteridesign er kapasitetsdesign og størrelsesdesign. I tillegg, gjennom teoretiske beregninger, kan vi også designe poløret i hvilken som helst posisjon av spolekjernen, ikke begrenset til hodet, halen eller midten, og også dekke designmetodene for flerpolet øre og alle pole øret for sylindriske batterier .

For å utforske spørsmålene om elektrodelengde og kjernediameter, må vi først studere tre prosesser: uendelig forvikling av isolasjonsfilmen, uendelig forvikling av den negative elektroden og uendelig vikling av den positive elektroden. Forutsatt at diameteren på spiralenålen er p, er tykkelsen på isolasjonsfilmen s, tykkelsen på den negative elektroden er a, og tykkelsen på den positive elektroden er c, alt i millimeter.

• Uendelig forviklingsprosess av isolasjonsmembran

Under forviklingsprosessen av membranen vikles to lag med membraner samtidig, slik at diameteren til den ytre membranen under viklingsprosessen alltid er ett lag mer med membrantykkelsen (+1s) enn den indre membranen. Startdiameteren til den indre membranviklingen er endediameteren til den forrige viklingen, og for hver forvikling av membranen øker kjernediameteren med fire lag med membrantykkelse (+4s).

Vedlegg 1: Diametervariasjonslov for uendelig forviklingsprosess av isolasjonsmembran

• Uendelig forviklingsprosess av negativ elektrode

Under forviklingsprosessen til den negative elektroden, på grunn av tilsetningen av et lag med negativ elektrode, er diameteren på den ytre membranen under viklingsprosessen alltid ett lag mer enn tykkelsen på den indre membranen og ett lag med negativ elektrode ( +1s+1a), og startdiameteren til den indre membranviklingen er alltid lik endediameteren til forrige sirkel. På dette tidspunktet, for hver forvikling av den negative elektroden, øker kjernediameteren med fire lag med diafragma og to lag med negativ elektrodetykkelse (+4s+2a).

Vedlegg 2: Diametervariasjonsloven for den uendelige forviklingsprosessen til den negative elektrodeplaten

Uendelig viklingsprosess av positiv elektrodeplate

Under viklingsprosessen til den positive elektroden, på grunn av tilsetningen av et nytt lag med positiv elektrode, er startdiameteren til den positive elektroden alltid lik endediameteren til forrige sirkel, mens den opprinnelige diameteren til den indre membranviklingen blir endediameteren til forrige sirkel pluss tykkelsen på ett lag med positiv elektrode (+1c). Men under viklingsprosessen til den ytre membranen er diameteren alltid bare ett lag mer enn tykkelsen på den indre membranen og ett lag med negativ elektrode (+1s+1a). På dette tidspunktet er den negative elektroden forviklet for hver sirkel. Diameteren til spolekjernen øker med 4 lag med membran, 2 lag med negativ elektrode og 2 lag med positiv elektrodetykkelse (+4s+2s+2a).

Vedlegg 3: Diametervariasjonslov for den positive elektroden under uendelig viklingsprosess

Ovenfor, gjennom analysen av den uendelige viklingsprosessen til membranen og elektrodeplaten, har vi oppnådd variasjonsmønsteret til kjernediameteren og elektrodeplatens lengde. Denne lag for lag analytiske beregningsmetoden bidrar til å nøyaktig ordne posisjonen til elektrodeørene (inkludert enkeltpolede ører, flerpolede ører og fullpolede ører), men viklingsprosessen er ikke avsluttet ennå. På dette tidspunktet er den positive elektrodeplaten, den negative elektrodeplaten og isolasjonsfilmen i skylletilstand. Det grunnleggende prinsippet for batteridesign er å kreve at isolasjonsfilmen dekker den negative elektrodeplaten fullstendig, og den negative elektroden skal også dekke den positive elektroden fullstendig.

Figur 3: Skjematisk diagram av sylindrisk batterispolestruktur og lukkeprosess

Derfor er det nødvendig å utforske spørsmålet om vikle den negative kjerneelektroden og isolasjonsfilmen ytterligere. Siden den positive elektroden allerede er viklet, og før dette, den opprinnelige diameteren til den positive elektroden alltid er lik endediameteren til den forrige sirkelen, erstatter den innledende diameteren til den indre membranen endediameteren til den forrige sirkelen . På dette grunnlaget øker den opprinnelige diameteren til den negative elektroden tykkelsen på ett lag med membran (+1s), Øk startdiameteren til den ytre membranen med ett lag til med negativ elektrodetykkelse (+1s+1a).

Vedlegg 4: Variasjoner i diameter og lengde på elektrode og diafragma under viklingsprosessen til sylindriske batterier

Så langt har vi fått det matematiske uttrykket for lengden på positiv plate, negativ plate og isolasjonsfilm under et hvilket som helst antall viklingssykluser. Anta at membranen er forviklet m+1 sykluser, den negative platen er forviklet n+1 sykluser, den positive platen er viklet x+1 sykluser, og den sentrale vinkelen til den negative platen er θ °, den sentrale isolasjonsvinkelen filmviklingen er β °, så er det følgende forhold:

Bestemmelsen av antall elektrode- og membranlag bestemmer ikke bare lengden på elektroden og membranen, noe som igjen påvirker kapasitetsdesignet, men bestemmer også den endelige diameteren til spolekjernen, noe som i stor grad reduserer monteringsrisikoen for spolekjernen. Selv om vi oppnådde diameteren på kjernen etter vikling, tok vi ikke hensyn til tykkelsen på poløret og sluttklebende papir. Forutsatt at tykkelsen på det positive øret er tabc, er tykkelsen på det negative øret taba, og endelimet er 1 sirkel og det overlappende området unngår posisjonen til poløret, med en tykkelse på g. Derfor er den endelige diameteren til kjernen:

Formelen ovenfor er det generelle løsningsforholdet for utformingen av sylindriske batterielektrodeplater. Den bestemmer problemet med elektrodeplatelengde, diafragmalengde og spolekjernediameter, og beskriver kvantitativt forholdet mellom dem, noe som forbedrer designnøyaktigheten betydelig og har stor praktisk bruksverdi.

Til slutt, det vi må løse er problemet med å ordne stolpeørene. Vanligvis er det ett eller to stangører eller til og med tre stangører på ett stangstykke, som er et lite antall stangører. Flikledningen er sveiset til overflaten av polstykket. Selv om det kan påvirke nøyaktigheten til polstykkelengdedesignet til en viss grad (uten å påvirke diameteren), er flikledningen vanligvis smal og har liten innvirkning. Derfor er den generelle løsningsformelen for størrelsesdesign av sylindriske batterier foreslått i denne artikkelen ignorerer dette problemet.

Figur 4: Oppsett av positive og negative øreposisjoner

Diagrammet ovenfor er et skjematisk diagram av plassering av stolpesko. Basert på det tidligere foreslåtte generelle forholdet mellom polstykkestørrelse, kan vi tydelig forstå lengde- og diameterendringene til hvert lag med polstykker under viklingsprosessen. Derfor, når du arrangerer stangklatter, kan de positive og negative knaggene arrangeres nøyaktig ved målposisjonen til stangstykket i tilfelle av en enkelt stangknaster, mens for tilfellet med flere eller helpolede knaster, er det vanligvis nødvendig å justere flere lag med stangklatter, På dette grunnlaget trenger vi bare å avvike fra den faste vinkelen til hvert lag med knaster, for å oppnå arrangementsposisjonen til hvert lag med knaster. Ettersom diameteren til viklingskjernen øker gradvis under viklingsprosessen, endres den totale arrangementsavstanden til tappen tilnærmet av den aritmetiske progresjonen med π (4s+2a+2c) som toleranse.

For ytterligere å undersøke påvirkningen av tykkelsessvingninger til elektrodeplater og membraner på diameteren og lengden av spolekjernen, ta den 4680 store sylindriske helelektrode ørecellen som et eksempel, forutsatt at spiralenålens diameter er 1 mm, tykkelsen på lukkebåndet er 16um, tykkelsen på isolasjonsfilmen er 10um, kaldpressingstykkelsen på den positive elektrodeplaten er 171um, tykkelsen under vikling er 174um, kaldpressingstykkelsen på den negative elektrodeplaten er 249um, tykkelsen under viklingen er 255um, og både diafragma og negative elektrodeplater er forhåndsrullet i 2 omdreininger. Beregningen viser at den positive elektrodeplaten er viklet i 47 omdreininger, med en lengde på 3371,6 mm, Den negative elektroden er viklet 49,5 ganger, med en lengde på 3449,7 mm og en diameter på 44,69 mm etter vikling.

Figur 5: Påvirkningen av tykkelsesfluktuasjoner av pol og diafragma på kjernediameter og pollengde

Fra figuren ovenfor kan det intuitivt ses at fluktuasjonen i tykkelsen på polstykket og membranen har en viss innvirkning på diameteren og lengden på spolekjernen. Når tykkelsen på polstykket avviker med 1um, øker diameteren og lengden på spolekjernen med ca. 0,2%, mens når tykkelsen på membranen avviker med 1um, øker diameteren og lengden til spolekjernen med ca. 0,5%. Derfor, for å kontrollere konsistensen av diameteren til spolekjernen, bør fluktuasjonen av polstykket og membranen minimeres så mye som mulig, og det er også nødvendig å samle forholdet mellom tilbakeslaget til elektrodeplaten og tiden mellom kaldpressing og vikling, for å bistå i celledesignprosessen.



Sammendrag

1. Kapasitetsdesign og diameterdesign er designlogikken på laveste nivå for sylindriske litiumbatterier. Nøkkelen til kapasitetsdesign ligger i lengden på elektroden, mens nøkkelen til diameterdesign ligger i analysen av antall lag.
2. Ordningen av poløreposisjoner er også avgjørende. For flerpolede øre- eller fullpolede ørestrukturer kan polørejustering brukes som et kriterium for å evaluere designevnen og prosesskontrollevnen til battericellen. Metoden for lag-for-lag-analyse kan bedre møte kravene til poløreposisjonsarrangement og justering.