Generelt løsningsforhold til design af polpladedimensioner på cylindriske batterier

Generelt løsningsforhold til design af polpladedimensioner på cylindriske batterier

Lithium-batterier kan klassificeres i firkantede, bløde og cylindriske batterier baseret på deres emballeringsmetoder og -former. Blandt dem har cylindriske batterier kernefordele såsom god konsistens, høj produktionseffektivitet og lave produktionsomkostninger. De har en udviklingshistorie på over 30 år siden deres begyndelse i 1991. I de senere år, med udgivelsen af ​​Teslas all pole ear-teknologi, er anvendelsen af ​​store cylindriske batterier inden for strømbatterier og energilagring accelereret, og er blevet en forskning hotspot for store lithiumbatterivirksomheder.

Figur 1: Sammenligning af ydeevne på enkelt- og systemniveauer for lithiumbatterier med forskellige former

Den cylindriske batteriskal kan være en stålskal, en aluminiumsskal eller en blød pakke. Dets fælles træk er, at fremstillingsprocessen anvender viklingsteknologi, som bruger viklingsnålen som kerne og driver viklingsnålen til at rotere til lag og vikle isolationsfilmen og elektrodepladen sammen, hvilket i sidste ende danner en relativt ensartet cylindrisk viklingskerne. Som vist i den følgende figur er en typisk viklingsproces som følger: først klemmer viklingsnålen membranen til forvikling af membranen, derefter indsættes den negative elektrode mellem to lag isolationsfilm til forvikling af den negative elektrode, og derefter indsættes den positive elektrode til højhastighedsvikling. Efter at viklingen er afsluttet, skærer skæremekanismen elektroden og membranen, og til sidst påføres et lag klæbebånd i enden for at fiksere formen.

Figur 2: Skematisk diagram af viklingsprocessen

Styringen af ​​kernediameteren efter vikling er afgørende. Hvis diameteren er for stor, kan den ikke samles, og hvis diameteren er for lille, er der spild af plads. Derfor er præcis udformning af kernediameteren afgørende. Heldigvis er cylindriske batterier relativt regelmæssige geometrier, og omkredsen af ​​hvert lag af elektrode og membran kan beregnes ved at tilnærme en cirkel. Endelig kan den samlede længde af elektroden akkumuleres for at opnå kapacitetsdesignet. De akkumulerede værdier af nålediameter, elektrodelagsnummer og diafragmalagsnummer er diameteren af ​​sårkernen. Det skal bemærkes, at kerneelementerne i lithium-ion batteridesign er kapacitetsdesign og størrelsesdesign. Derudover kan vi gennem teoretiske beregninger også designe poløret i enhver position af spolekernen, ikke begrænset til hovedet, halen eller midten, og også dække designmetoderne for flerpolet øre og alle pole øre til cylindriske batterier .

For at udforske spørgsmålene om elektrodelængde og kernediameter skal vi først studere tre processer: uendelig forvikling af isolationsfilmen, uendelig forvikling af den negative elektrode og uendelig vikling af den positive elektrode. Forudsat at diameteren af ​​spiralnålen er p, er tykkelsen af ​​isolationsfilmen s, tykkelsen af ​​den negative elektrode er a, og tykkelsen af ​​den positive elektrode er c, alt i millimeter.

• Uendelig forviklingsproces af isoleringsmembran

Under forviklingsprocessen af ​​membranen vikles to lag membraner samtidigt, så diameteren af ​​den ydre membran under viklingsprocessen er altid et lag mere membrantykkelse (+1s) end den indre membran. Startdiameteren af ​​den indre membranvikling er endediameteren af ​​den forrige vikling, og for hver forvikling af membranen øges kernediameteren med fire lags membrantykkelse (+4s).

Bilag 1: Diametervariationslov for uendelig forviklingsproces af isolationsmembran

• Uendelig forviklingsproces af negativ elektrode

Under forviklingsprocessen af ​​den negative elektrode, på grund af tilføjelsen af ​​et lag af negativ elektrode, er diameteren af ​​den ydre membran under viklingsprocessen altid et lag mere end tykkelsen af ​​den indre membran og et lag af negativ elektrode ( +1s+1a), og den indledende diameter af den indre membranvikling er altid lig med endediameteren af ​​den foregående cirkel. På dette tidspunkt, for hver forvikling af den negative elektrode, øges kernediameteren med fire lag membran og to lag med negativ elektrodetykkelse (+4s+2a).

Bilag 2: Diametervariationslov for den negative elektrodeplades uendelige forviklingsproces

Uendelig viklingsproces af positiv elektrodeplade

Under viklingsprocessen af ​​den positive elektrode, på grund af tilføjelsen af ​​et nyt lag af positiv elektrode, er startdiameteren af ​​den positive elektrode altid lig med endediameteren af ​​den foregående cirkel, mens den oprindelige diameter af den indre membranvikling bliver endediameteren af ​​den foregående cirkel plus tykkelsen af ​​et lag positiv elektrode (+1c). Men under viklingsprocessen af ​​den ydre membran er diameteren altid kun et lag mere end tykkelsen af ​​den indre membran og et lag negativ elektrode (+1s+1a). På dette tidspunkt er den negative elektrode forviklet for hver cirkel. Diameteren af ​​spolekernen øges med 4 lag membran, 2 lag negativ elektrode og 2 lag positiv elektrodetykkelse (+4s+2s+2a).

Bilag 3: Diametervariationslov for den positive elektrode under uendelig viklingsproces

Ovenfor har vi gennem analysen af ​​den uendelige viklingsproces af membranen og elektrodepladen opnået variationsmønsteret for kernediameteren og elektrodepladelængden. Denne lag for lag analytiske beregningsmetode er befordrende for nøjagtigt at arrangere positionen af ​​elektrodeørerne (inklusive enkeltpolede ører, multipolede ører og fuldpolede ører), men viklingsprocessen er endnu ikke afsluttet. På dette tidspunkt er den positive elektrodeplade, den negative elektrodeplade og isolationsfilmen i en skylletilstand. Det grundlæggende princip for batteridesign er at kræve, at isolationsfilmen dækker den negative elektrodeplade fuldstændigt, og den negative elektrode skal også dække den positive elektrode fuldstændigt.

Figur 3: Skematisk diagram af cylindrisk batterispolestruktur og lukkeproces

Derfor er det nødvendigt at udforske spørgsmålet om vikling af den negative kerneelektrode og isolationsfilm yderligere. Det er klart, da den positive elektrode allerede er blevet viklet, og før dette, den indledende diameter af den positive elektrode altid er lig med endediameteren af ​​den foregående cirkel, erstatter den indledende diameter af den indre lags membran endediameteren af ​​den foregående cirkel . På dette grundlag øger den indledende diameter af den negative elektrode tykkelsen af ​​et lag af membranen (+1s), Øg den oprindelige diameter af den ydre membran med endnu et lag med negativ elektrodetykkelse (+1s+1a).

Bilag 4: Variationer i diameter og længde af elektrode og membran under viklingsprocessen af ​​cylindriske batterier

Indtil videre har vi opnået det matematiske udtryk for længden af ​​positiv plade, negativ plade og isolationsfilm under et vilkårligt antal viklingscyklusser. Antag, at membranen er forviklet m+1 cyklusser, den negative plade er forviklet n+1 cykler, den positive plade er viklet x+1 cyklusser, og den negative plades centrale vinkel er θ °, den centrale isolationsvinkel filmviklingen er β °, så er der følgende forhold:

Bestemmelsen af ​​antallet af elektrode- og membranlag bestemmer ikke kun længden af ​​elektroden og membranen, hvilket igen påvirker kapacitetsdesignet, men bestemmer også den endelige diameter af spolekernen, hvilket i høj grad reducerer monteringsrisikoen for spolekernen. Selvom vi opnåede kernens diameter efter vikling, tog vi ikke hensyn til tykkelsen af ​​poløret og det afsluttende klæbende papir. Hvis det antages, at tykkelsen af ​​det positive øre er tabc, er tykkelsen af ​​det negative øre taba, og endeklæbemidlet er 1 cirkel, og det overlappende område undgår positionen af ​​poløret med en tykkelse på g. Derfor er kernens endelige diameter:

Ovenstående formel er det generelle løsningsforhold for design af cylindriske batterielektrodeplader. Det bestemmer problemet med elektrodepladelængde, membranlængde og spolekernediameter og beskriver kvantitativt forholdet mellem dem, hvilket i høj grad forbedrer designnøjagtigheden og har stor praktisk anvendelsesværdi.

Endelig er det, vi skal løse, problemet med at arrangere stangørerne. Normalt er der et eller to stangører eller endda tre stangører på et stangstykke, hvilket er et lille antal stangører. Fligledningen er svejset til overfladen af ​​polstykket. Selvom det kan påvirke nøjagtigheden af ​​polstykkets længdedesign til en vis grad (uden at påvirke diameteren), er fligledningen normalt smal og har ringe indflydelse. Derfor foreslås den generelle løsningsformel for størrelsesdesignet af cylindriske batterier i denne artikel ignorerer dette problem.

Figur 4: Layout af positive og negative ørepositioner

Ovenstående diagram er et skematisk diagram over placeringen af ​​stangsko. Baseret på det tidligere foreslåede generelle forhold mellem polstykkestørrelsen kan vi tydeligt forstå længde- og diameterændringerne for hvert lag af polstykker under viklingsprocessen. Derfor kan de positive og negative ører, når der arrangeres stangflig, placeres nøjagtigt ved polstykkets målposition, når der er tale om en enkelt stang, mens det i tilfælde af flere eller fuldpolede ører normalt er påkrævet at justere flere lag af stangkløer, På dette grundlag behøver vi kun at afvige fra den faste vinkel for hvert lag knaster for at opnå placeringspositionen for hvert lag knaster. Da diameteren af ​​viklingskernen gradvist øges under viklingsprocessen, ændres den samlede arrangementsafstand af tappen tilnærmelsesvis af den aritmetiske progression med π (4s+2a+2c) som tolerance.

For yderligere at undersøge indflydelsen af ​​tykkelsesudsving af elektrodeplader og membraner på diameteren og længden af ​​spolekernen, idet man tager den 4680 store cylindriske fuldelektrode ørecelle som et eksempel, idet det antages, at spolenålens diameter er 1 mm, skal tykkelsen på lukkebåndet er 16um, tykkelsen af ​​isolationsfilmen er 10um, koldpressningstykkelsen af ​​den positive elektrodeplade er 171um, tykkelsen under vikling er 174um, koldpressningstykkelsen af ​​den negative elektrodeplade er 249um, tykkelsen under vikling er 255um, og både membranen og den negative elektrodeplade er forrullet i 2 omgange. Beregningen viser, at den positive elektrodeplade er viklet i 47 omdrejninger, med en længde på 3371,6 mm, Den negative elektrode er viklet 49,5 gange, med en længde på 3449,7 mm og en diameter på 44,69 mm efter vikling.

Figur 5: Indflydelsen af ​​tykkelsesudsving af pol og diafragma på kernediameter og pollængde

Fra ovenstående figur kan det intuitivt ses, at fluktuationen af ​​tykkelsen af ​​polstykket og membranen har en vis indflydelse på diameteren og længden af ​​spolekernen. Når tykkelsen af ​​polstykket afviger med 1um, øges diameteren og længden af ​​spolekernen med omkring 0,2%, mens når tykkelsen af ​​membranen afviger med 1um, øges diameteren og længden af ​​spolekernen med omkring 0,5%. Derfor, for at kontrollere konsistensen af ​​diameteren af ​​spolekernen, bør udsvinget af polstykket og membranen minimeres så meget som muligt, og det er også nødvendigt at indsamle forholdet mellem tilbageslag af elektrodepladen og tiden mellem koldpresning og vikling for at hjælpe med celledesignprocessen.



Resumé

1. Kapacitetsdesign og diameterdesign er den laveste designlogik for cylindriske lithiumbatterier. Nøglen til kapacitetsdesign ligger i elektrodens længde, mens nøglen til diameterdesign ligger i analysen af ​​antallet af lag.
2. Arrangementet af pole ear positioner er også afgørende. For flerpolede øre- eller fuldpolede ørestrukturer kan pole-ørejustering bruges som et kriterium til evaluering af battericellens designevne og proceskontrolevne. Metoden til lag for lag analyse kan bedre opfylde kravene til polørepositionsarrangement og justering.