Relazione generale sulla soluzione per la progettazione delle dimensioni delle piastre polari delle batterie cilindriche

Relazione generale sulla soluzione per la progettazione delle dimensioni delle piastre polari delle batterie cilindriche

Le batterie al litio possono essere classificate in batterie quadrate, morbide e cilindriche in base ai metodi e alle forme di imballaggio. Tra questi, le batterie cilindriche presentano vantaggi fondamentali come buona consistenza, elevata efficienza produttiva e bassi costi di produzione. Hanno una storia di sviluppo di oltre 30 anni sin dalla loro nascita nel 1991. Negli ultimi anni, con il rilascio della tecnologia All Pole Ear di Tesla, l'applicazione di grandi batterie cilindriche nei campi delle batterie di potenza e dello stoccaggio dell'energia ha subito un'accelerazione, diventando una ricerca hotspot per le principali aziende produttrici di batterie al litio.

Figura 1: Confronto delle prestazioni a livello singolo e di sistema di batterie al litio di forme diverse

Il guscio cilindrico della batteria può essere un guscio di acciaio, un guscio di alluminio o un pacchetto morbido. La sua caratteristica comune è che il processo di produzione adotta la tecnologia di avvolgimento, che utilizza l'ago di avvolgimento come nucleo e spinge l'ago di avvolgimento a ruotare per stratificare e avvolgere insieme la pellicola isolante e la piastra dell'elettrodo, formando infine un nucleo di avvolgimento cilindrico relativamente uniforme. Come mostrato nella figura seguente, un tipico processo di avvolgimento è il seguente: innanzitutto, l'ago di avvolgimento blocca il diaframma per il preavvolgimento del diaframma, quindi l'elettrodo negativo viene inserito tra due strati di pellicola isolante per il preavvolgimento dell'elettrodo negativo, quindi viene inserito l'elettrodo positivo per l'avvolgimento ad alta velocità. Una volta completato l'avvolgimento, il meccanismo di taglio taglia l'elettrodo e il diaframma e, infine, all'estremità viene applicato uno strato di nastro adesivo per fissare la forma.

Figura 2: diagramma schematico del processo di avvolgimento

Il controllo del diametro del nucleo dopo l'avvolgimento è fondamentale. Se il diametro è troppo grande, non può essere assemblato, mentre se il diametro è troppo piccolo si perde spazio. Pertanto, la progettazione accurata del diametro del nucleo è fondamentale. Fortunatamente, le batterie cilindriche hanno geometrie relativamente regolari e la circonferenza di ciascuno strato di elettrodo e diaframma può essere calcolata approssimando un cerchio. Infine, è possibile sommare la lunghezza totale dell'elettrodo per ottenere il progetto di capacità. I valori accumulati del diametro dell'ago, del numero dello strato dell'elettrodo e del numero dello strato del diaframma rappresentano il diametro del nucleo della ferita. Va notato che gli elementi fondamentali della progettazione delle batterie agli ioni di litio sono la progettazione della capacità e la progettazione delle dimensioni. Inoltre, attraverso calcoli teorici, possiamo anche progettare l'orecchio polare in qualsiasi posizione del nucleo della bobina, non limitato alla testa, alla coda o al centro, e coprire anche i metodi di progettazione dell'orecchio multipolare e dell'orecchio tutto polare per batterie cilindriche. .

Per esplorare i problemi relativi alla lunghezza dell'elettrodo e al diametro del nucleo, dobbiamo prima studiare tre processi: preavvolgimento infinito del film isolante, preavvolgimento infinito dell'elettrodo negativo e avvolgimento infinito dell'elettrodo positivo. Supponendo che il diametro dell'ago della bobina sia p, lo spessore della pellicola isolante sia s, lo spessore dell'elettrodo negativo sia a e lo spessore dell'elettrodo positivo sia c, tutto in millimetri.

• Processo di preavvolgimento infinito della membrana isolante

Durante il processo di preavvolgimento del diaframma, due strati di diaframma vengono avvolti simultaneamente, quindi il diametro del diaframma esterno durante il processo di avvolgimento è sempre uno strato in più di spessore del diaframma (+1 s) rispetto al diaframma interno. Il diametro iniziale dell'avvolgimento della membrana interna è il diametro finale dell'avvolgimento precedente e, per ogni pre-avvolgimento della membrana, il diametro del nucleo aumenta di quattro strati di spessore della membrana (+4s).

Appendice 1: Legge di variazione del diametro del processo di preavvolgimento infinito della membrana isolante

• Processo di preavvolgimento infinito dell'elettrodo negativo

Durante il processo di preavvolgimento dell'elettrodo negativo, a causa dell'aggiunta di uno strato di elettrodo negativo, il diametro del diaframma esterno durante il processo di avvolgimento è sempre uno strato in più rispetto allo spessore del diaframma interno e uno strato di elettrodo negativo ( +1s+1a), ed il diametro iniziale dell'avvolgimento della membrana interna è sempre uguale al diametro finale del cerchio precedente. A questo punto, per ogni preavvolgimento dell'elettrodo negativo, il diametro del nucleo aumenta di quattro strati di diaframma e due strati di spessore dell'elettrodo negativo (+4s+2a).

Appendice 2: Legge di variazione del diametro del processo di preavvolgimento infinito della piastra dell'elettrodo negativo

Processo di avvolgimento infinito della piastra dell'elettrodo positivo

Durante il processo di avvolgimento dell'elettrodo positivo, a causa dell'aggiunta di un nuovo strato di elettrodo positivo, il diametro iniziale dell'elettrodo positivo è sempre uguale al diametro finale del cerchio precedente, mentre il diametro iniziale dell'avvolgimento del diaframma interno diventa il diametro finale del cerchio precedente più lo spessore di uno strato di elettrodo positivo (+1c). Tuttavia, durante il processo di avvolgimento del diaframma esterno, il diametro è sempre solo uno strato in più rispetto allo spessore del diaframma interno e uno strato di elettrodo negativo (+1s+1a). A questo punto, l'elettrodo negativo è preavvolto per ciascun cerchio. Il diametro del nucleo della bobina aumenta di 4 strati di diaframma, 2 strati di elettrodo negativo e 2 strati di spessore dell'elettrodo positivo (+4s+2s+2a).

Appendice 3: Legge di variazione del diametro dell'elettrodo positivo durante il processo di avvolgimento infinito

Sopra, attraverso l'analisi del processo di avvolgimento infinito del diaframma e della piastra dell'elettrodo, abbiamo ottenuto lo schema di variazione del diametro del nucleo e della lunghezza della piastra dell'elettrodo. Questo metodo di calcolo analitico strato per strato è favorevole alla disposizione accurata della posizione delle orecchie degli elettrodi (comprese orecchie unipolari, orecchie multipolari e orecchie polari complete), ma il processo di avvolgimento non è ancora terminato. A questo punto, la piastra dell'elettrodo positivo, la piastra dell'elettrodo negativo e la pellicola isolante sono a filo. Il principio di base della progettazione della batteria è che la pellicola isolante copra completamente la piastra dell'elettrodo negativo e l'elettrodo negativo dovrebbe coprire completamente anche l'elettrodo positivo.

Figura 3: diagramma schematico della struttura della bobina cilindrica della batteria e del processo di chiusura

Pertanto, è necessario esplorare ulteriormente la questione dell'avvolgimento dell'elettrodo negativo con nucleo e della pellicola isolante. Ovviamente, poiché l'elettrodo positivo è già stato avvolto, e prima di questo, il diametro iniziale dell'elettrodo positivo è sempre uguale al diametro finale del cerchio precedente, il diametro iniziale del diaframma dello strato interno sostituisce il diametro finale del cerchio precedente . Su questa base, il diametro iniziale dell'elettrodo negativo aumenta lo spessore di uno strato di diaframma (+1 s), Aumenta il diametro iniziale del diaframma esterno di un ulteriore strato di spessore dell'elettrodo negativo (+1 s+1a).

Appendice 4: Variazioni di diametro e lunghezza dell'elettrodo e del diaframma durante il processo di avvolgimento delle batterie cilindriche

Finora abbiamo ottenuto l'espressione matematica della lunghezza della piastra positiva, della piastra negativa e della pellicola isolante sotto qualsiasi numero di cicli di avvolgimento. Supponiamo che il diaframma sia preavvolto m+1 cicli, che la piastra negativa sia preavvolta n+1 cicli, che la piastra positiva sia avvolta x+1 cicli e che l'angolo centrale della piastra negativa sia θ °, l'angolo centrale di isolamento l'avvolgimento del film è β°, allora vale la seguente relazione:

La determinazione del numero di strati dell'elettrodo e del diaframma non solo determina la lunghezza dell'elettrodo e del diaframma, che a sua volta influisce sulla progettazione della capacità, ma determina anche il diametro finale del nucleo della bobina, riducendo notevolmente il rischio di assemblaggio del nucleo della bobina. Sebbene abbiamo ottenuto il diametro del nucleo dopo l'avvolgimento, non abbiamo considerato lo spessore dell'orecchio polare e della carta adesiva finale. Supponendo che lo spessore dell'orecchio positivo sia tabc, lo spessore dell'orecchio negativo sia taba, e l'adesivo finale sia 1 cerchio e l'area di sovrapposizione eviti la posizione dell'orecchio polare, con uno spessore di g. Pertanto il diametro finale del nucleo è:

La formula di cui sopra è la relazione di soluzione generale per la progettazione di piastre cilindriche di elettrodi per batterie. Determina il problema della lunghezza della piastra dell'elettrodo, della lunghezza del diaframma e del diametro del nucleo della bobina e descrive quantitativamente la relazione tra loro, migliorando notevolmente la precisione del progetto e avendo un grande valore di applicazione pratica.

Infine, ciò che dobbiamo risolvere è il problema della disposizione delle orecchie dei pali. Di solito, ci sono una o due orecchie polari o anche tre orecchie polari su un pezzo polare, che è un piccolo numero di orecchie polari. La linguetta è saldata alla superficie dell'espansione polare. Sebbene possa influenzare in una certa misura la precisione della progettazione della lunghezza dell'espansione polare (senza influire sul diametro), la linguetta è solitamente stretta e ha un impatto minimo. Pertanto, la formula di soluzione generale per la progettazione delle dimensioni delle batterie cilindriche proposta in questo articolo ignora questo problema.

Figura 4: disposizione delle posizioni dell'orecchio positivo e negativo

Il diagramma sopra è un diagramma schematico del posizionamento dei capicorda. Sulla base della relazione generale proposta in precedenza tra le dimensioni dell'espansione polare, possiamo comprendere chiaramente le variazioni di lunghezza e diametro di ciascuno strato di espansione polare durante il processo di avvolgimento. Pertanto, quando si sistemano i capicorda polari, i capicorda positivi e negativi possono essere disposti accuratamente nella posizione target dell'espansione polare nel caso di un capocorda polare singolo, mentre nel caso di capicorda polari multipli o completi, di solito è necessario allineare più strati di capicorda, su questa base, dobbiamo solo deviare dall'angolo fisso di ciascuno strato di capocorda, in modo da ottenere la posizione di disposizione di ciascuno strato di capocorda. Poiché durante il processo di avvolgimento il diametro del nucleo di avvolgimento aumenta gradualmente, la distanza di disposizione complessiva del capocorda viene modificata approssimativamente dalla progressione aritmetica con π (4s+2a+2c) come tolleranza.

Per studiare ulteriormente l'influenza delle fluttuazioni di spessore delle piastre degli elettrodi e dei diaframmi sul diametro e sulla lunghezza del nucleo della bobina, prendendo come esempio la cella auricolare cilindrica grande a elettrodo completo 4680, presupponendo che il diametro dell'ago della bobina sia 1 mm, lo spessore di il nastro di chiusura è 16um, lo spessore della pellicola isolante è 10um, lo spessore di pressatura a freddo della piastra dell'elettrodo positivo è 171um, lo spessore durante l'avvolgimento è 174um, lo spessore di pressatura a freddo della piastra dell'elettrodo negativo è 249um, lo spessore durante l'avvolgimento è 255um e sia il diaframma che le piastre dell'elettrodo negativo sono pre-laminati per 2 giri. Il calcolo mostra che la piastra dell'elettrodo positivo viene avvolta per 47 giri, con una lunghezza di 3.371,6 mm. L'elettrodo negativo viene avvolto 49,5 volte, con una lunghezza di 3.449,7 mm e un diametro di 44,69 mm dopo l'avvolgimento.

Figura 5: Influenza della fluttuazione dello spessore del polo e del diaframma sul diametro del nucleo e sulla lunghezza del polo

Dalla figura sopra si può vedere intuitivamente che la fluttuazione dello spessore dell'espansione polare e del diaframma ha un certo impatto sul diametro e sulla lunghezza del nucleo della bobina. Quando lo spessore dell'espansione polare devia di 1um, il diametro e la lunghezza del nucleo della bobina aumentano di circa lo 0,2%, mentre quando lo spessore del diaframma devia di 1um, il diametro e la lunghezza del nucleo della bobina aumentano di circa lo 0,5%. Pertanto, per controllare la consistenza del diametro del nucleo della bobina, la fluttuazione dell'espansione polare e del diaframma dovrebbe essere ridotta al minimo possibile, ed è anche necessario raccogliere la relazione tra il rimbalzo della piastra dell'elettrodo e il tempo tra la pressatura a freddo e l'avvolgimento, al fine di assistere nel processo di progettazione della cella.



Riepilogo

1. La progettazione della capacità e la progettazione del diametro rappresentano la logica di progettazione di livello più basso per le batterie al litio cilindriche. La chiave per la progettazione della capacità risiede nella lunghezza dell’elettrodo, mentre la chiave per la progettazione del diametro risiede nell’analisi del numero di strati.
2. Anche la disposizione delle posizioni delle orecchie dei poli è cruciale. Per le strutture con orecchio multipolare o con orecchio polare completo, l'allineamento dell'orecchio polare può essere utilizzato come criterio per valutare la capacità di progettazione e la capacità di controllo del processo della cella della batteria. Il metodo di analisi strato per strato può soddisfare meglio i requisiti di disposizione e allineamento della posizione dell'orecchio polare.