Pangkalahatang Relasyon ng Solusyon para sa Disenyo ng Mga Dimensyon ng Pole Plate ng Mga Cylindrical na Baterya

Pangkalahatang Relasyon ng Solusyon para sa Disenyo ng Mga Dimensyon ng Pole Plate ng Mga Cylindrical na Baterya

Ang mga lithium na baterya ay maaaring uriin sa square, soft pack, at cylindrical na mga baterya batay sa kanilang mga paraan at hugis ng packaging. Kabilang sa mga ito, ang mga cylindrical na baterya ay may mga pangunahing pakinabang tulad ng mahusay na pagkakapare-pareho, mataas na kahusayan sa produksyon, at mababang gastos sa pagmamanupaktura. Mayroon silang kasaysayan ng pag-unlad na higit sa 30 taon mula noong sila ay nagsimula noong 1991. Sa mga nakalipas na taon, sa paglabas ng lahat ng teknolohiyang pole ear ng Tesla, ang paggamit ng malalaking cylindrical na baterya sa larangan ng mga power batteries at energy storage ay bumilis, na naging isang pananaliksik. hotspot para sa mga pangunahing kumpanya ng baterya ng lithium.

Figure 1: Paghahambing ng Pagganap sa Single at System Level ng mga Lithium Baterya na may Iba't ibang Hugis

Ang cylindrical na shell ng baterya ay maaaring isang bakal na shell, isang aluminum shell, o isang malambot na pakete. Ang karaniwang tampok nito ay ang proseso ng pagmamanupaktura ay gumagamit ng paikot-ikot na teknolohiya, na gumagamit ng paikot-ikot na karayom ​​bilang core at nagtutulak sa paikot-ikot na karayom ​​upang paikutin sa layer at balutin ang isolation film at electrode plate nang magkasama, sa huli ay bumubuo ng medyo pare-parehong cylindrical winding core. Tulad ng ipinapakita sa sumusunod na figure, ang isang tipikal na proseso ng paikot-ikot ay ang mga sumusunod: una, ang paikot-ikot na karayom ​​ay nag-clamp sa diaphragm para sa pre winding ng diaphragm, pagkatapos ay ang negatibong elektrod ay ipinasok sa pagitan ng dalawang layer ng isolation film para sa pre winding ng negatibong elektrod, at pagkatapos ay ang positibong elektrod ay ipinasok para sa high-speed winding. Matapos makumpleto ang paikot-ikot, pinutol ng mekanismo ng pagputol ang elektrod at dayapragm, at sa wakas, ang isang layer ng adhesive tape ay inilapat sa dulo upang ayusin ang hugis.

Figure 2: Schematic diagram ng proseso ng paikot-ikot

Ang kontrol ng core diameter pagkatapos ng paikot-ikot ay mahalaga. Kung ang diameter ay masyadong malaki, hindi ito maaaring tipunin, at kung ang diameter ay masyadong maliit, mayroong isang pag-aaksaya ng espasyo. Samakatuwid, ang tumpak na disenyo ng diameter ng core ay mahalaga. Sa kabutihang palad, ang mga cylindrical na baterya ay medyo regular na geometries, at ang circumference ng bawat layer ng electrode at diaphragm ay maaaring kalkulahin sa pamamagitan ng approximating ng isang bilog. Sa wakas, ang kabuuang haba ng elektrod ay maaaring maipon upang makuha ang disenyo ng kapasidad. Ang mga naipon na halaga ng diameter ng karayom, numero ng layer ng elektrod, at numero ng layer ng diaphragm ay ang diameter ng core ng sugat. Dapat tandaan na ang mga pangunahing elemento ng disenyo ng baterya ng lithium-ion ay disenyo ng kapasidad at disenyo ng laki. Bilang karagdagan, sa pamamagitan ng mga teoretikal na kalkulasyon, maaari din nating idisenyo ang pole ear sa anumang posisyon ng coil core, hindi limitado sa ulo, buntot, o gitna, at saklaw din ang mga pamamaraan ng disenyo ng multi pole ear at lahat ng pole ear para sa mga cylindrical na baterya .

Upang tuklasin ang mga isyu ng haba ng elektrod at diameter ng core, kailangan muna nating pag-aralan ang tatlong proseso: walang katapusang pre winding ng isolation film, infinite pre winding ng negatibong electrode, at walang katapusan na winding ng positive electrode. Ipagpalagay na ang diameter ng coil needle ay p, ang kapal ng isolation film ay s, ang kapal ng negatibong elektrod ay a, at ang kapal ng positive electrode ay c, lahat sa millimeters.

• Walang katapusang pre winding na proseso ng isolation membrane

Sa panahon ng proseso ng pre winding ng diaphragm, dalawang layer ng diaphragm ang sabay-sabay na sinusugat, kaya ang diameter ng outer diaphragm sa panahon ng winding process ay palaging isa pang layer ng diaphragm thickness (+1s) kaysa sa inner diaphragm. Ang paunang diameter ng inner diaphragm winding ay ang end diameter ng nakaraang winding, at para sa bawat pre winding ng diaphragm, ang core diameter ay tumataas ng apat na layer ng diaphragm thickness (+4s).

Appendix 1: Batas sa pagkakaiba-iba ng diameter ng walang katapusan na proseso ng paunang paikot-ikot ng isolation membrane

• Walang katapusang pre winding na proseso ng negatibong elektrod

Sa panahon ng proseso ng pre winding ng negatibong elektrod, dahil sa pagdaragdag ng isang layer ng negatibong elektrod, ang diameter ng panlabas na diaphragm sa panahon ng proseso ng paikot-ikot ay palaging isang layer na higit pa kaysa sa kapal ng panloob na diaphragm at isang layer ng negatibong elektrod ( +1s+1a), at ang paunang diameter ng inner diaphragm winding ay palaging katumbas ng dulo ng diameter ng nakaraang bilog. Sa oras na ito, para sa bawat pre winding ng negatibong elektrod, ang core diameter ay tumataas ng apat na layer ng diaphragm at dalawang layer ng negatibong electrode na kapal (+4s+2a).

Appendix 2: Batas sa pagkakaiba-iba ng diameter ng walang katapusan na proseso ng paunang paikot-ikot ng negatibong plato ng elektrod

Walang katapusang paikot-ikot na proseso ng positibong plato ng elektrod

Sa panahon ng paikot-ikot na proseso ng positibong elektrod, dahil sa pagdaragdag ng isang bagong layer ng positibong elektrod, ang paunang diameter ng positibong elektrod ay palaging katumbas ng dulo ng diameter ng nakaraang bilog, habang ang paunang diameter ng panloob na diaphragm winding ay nagiging ang diameter ng dulo ng nakaraang bilog kasama ang kapal ng isang layer ng positibong elektrod (+1c). Gayunpaman, sa panahon ng paikot-ikot na proseso ng panlabas na diaphragm, ang diameter ay palaging isang layer lamang kaysa sa kapal ng panloob na diaphragm at isang layer ng negatibong elektrod (+1s+1a). Sa oras na ito, ang negatibong elektrod ay paunang sugat para sa bawat bilog, Ang diameter ng coil core ay tumataas ng 4 na layer ng diaphragm, 2 layer ng negatibong electrode, at 2 layer ng positive electrode na kapal (+4s+2s+2a).

Appendix 3: Batas sa pagkakaiba-iba ng diameter ng positibong elektrod sa panahon ng walang katapusang proseso ng paikot-ikot

Sa itaas, sa pamamagitan ng pagsusuri ng walang katapusang proseso ng paikot-ikot ng diaphragm at electrode plate, nakuha namin ang pattern ng pagkakaiba-iba ng diameter ng core at haba ng electrode plate. Ang layer by layer analytical na paraan ng pagkalkula ay nakakatulong sa tumpak na pag-aayos ng posisyon ng mga electrode ears (kabilang ang single pole ears, multipole ears, at full pole ears), ngunit ang proseso ng paikot-ikot ay hindi pa nagtatapos. Sa puntong ito, nasa flush state ang positive electrode plate, negative electrode plate, at isolation film. Ang pangunahing prinsipyo ng disenyo ng baterya ay nangangailangan ng isolation film na ganap na masakop ang negatibong plato ng elektrod At ang negatibong elektrod ay dapat ding ganap na masakop ang positibong elektrod.

Figure 3: Schematic diagram ng cylindrical na istraktura ng coil ng baterya at proseso ng pagsasara

Samakatuwid, ito ay kinakailangan upang higit pang galugarin ang isyu ng paikot-ikot sa core negatibong elektrod at paghihiwalay film. Malinaw, dahil ang positibong elektrod ay nasugatan na, at bago ito, ang paunang diameter ng positibong elektrod ay palaging katumbas ng dulo ng diameter ng nakaraang bilog, ang paunang diameter ng panloob na layer diaphragm ay pumapalit sa dulo ng diameter ng nakaraang bilog. . Sa batayan na ito, pinapataas ng paunang diameter ng negatibong elektrod ang kapal ng isang layer ng diaphragm (+1s), Taasan ang paunang diameter ng panlabas na diaphragm ng isa pang layer ng negatibong kapal ng elektrod (+1s+1a).

Appendix 4: Mga pagkakaiba-iba sa diameter at haba ng electrode at diaphragm sa panahon ng paikot-ikot na proseso ng mga cylindrical na baterya

Sa ngayon, nakuha namin ang mathematical expression ng haba ng positive plate, negative plate at isolation film sa ilalim ng anumang bilang ng winding cycles. Ipagpalagay na ang diaphragm ay pre wound m+1 cycles, ang negatibong plate ay pre wound n+1 cycles, ang positive plate ay wound x+1 cycles, at ang Central angle ng negatibong plate ay θ °, ang Central angle of isolation film winding ay β °, pagkatapos ay mayroong sumusunod na relasyon:

Ang pagpapasiya ng bilang ng mga layer ng elektrod at dayapragm ay hindi lamang tumutukoy sa haba ng elektrod at dayapragm, na kung saan ay nakakaapekto sa disenyo ng kapasidad, ngunit tinutukoy din ang pangwakas na diameter ng core ng coil, na lubos na binabawasan ang panganib ng pagpupulong ng core ng coil. Bagaman nakuha namin ang diameter ng core pagkatapos ng paikot-ikot, hindi namin isinasaalang-alang ang kapal ng tainga ng poste at ang nagtatapos na malagkit na papel. Ipagpalagay na ang kapal ng positibong tainga ay tabc, ang kapal ng negatibong tainga ay taba, at ang pangwakas na pandikit ay 1 bilog at ang magkasanib na lugar ay umiiwas sa posisyon ng pole ear, na may kapal na g. Samakatuwid, ang panghuling diameter ng core ay:

Ang formula sa itaas ay ang pangkalahatang ugnayan ng solusyon para sa disenyo ng mga cylindrical na electrode plate ng baterya. Tinutukoy nito ang problema ng haba ng electrode plate, haba ng diaphragm, at diameter ng core ng coil, at inilalarawan ng quantitatively ang relasyon sa pagitan ng mga ito, na lubos na nagpapabuti sa katumpakan ng disenyo at pagkakaroon ng mahusay na praktikal na halaga ng aplikasyon.

Sa wakas, ang kailangan nating lutasin ay ang problema sa pag-aayos ng mga tainga ng poste. Karaniwan, mayroong isa o dalawang poste na tainga o kahit tatlong poste na tainga sa isang poste na piraso, na isang maliit na bilang ng mga poste na tainga. Ang tab lead ay hinangin sa ibabaw ng piraso ng poste. Bagama't maaari itong makaapekto sa katumpakan ng disenyo ng haba ng piraso ng poste sa ilang lawak (nang hindi naaapektuhan ang diameter), ang tab lead ay kadalasang makitid at may maliit na epekto, Samakatuwid, ang pangkalahatang formula ng solusyon para sa laki ng disenyo ng mga cylindrical na baterya na iminungkahi sa artikulong ito. binabalewala ang isyung ito.

Figure 4: Layout ng Positive at Negative Ear Position

Ang diagram sa itaas ay isang schematic diagram ng paglalagay ng mga pole lug. Batay sa naunang iminungkahing pangkalahatang kaugnayan ng laki ng piraso ng poste, malinaw nating mauunawaan ang mga pagbabago sa haba at diameter ng bawat layer ng mga piraso ng poste sa panahon ng proseso ng paikot-ikot. Samakatuwid, kapag nag-aayos ng mga pole lug, ang positibo at negatibong mga lug ay maaaring tumpak na maisaayos sa target na posisyon ng pole piece sa kaso ng isang solong pole lug, habang para sa kaso ng maramihan o buong pole lug, kadalasan ay kinakailangan na ihanay. maramihang mga layer ng pole lugs, Sa batayan na ito, kailangan lang nating lumihis mula sa nakapirming anggulo ng bawat layer ng lug, upang makuha ang posisyon ng pag-aayos ng bawat layer ng lug. Habang unti-unting tumataas ang diameter ng paikot-ikot na core sa panahon ng proseso ng paikot-ikot, ang kabuuang distansya ng pagkakaayos ng lug ay tinatayang binago ng pag-unlad ng arithmetic na may π (4s+2a+2c) bilang tolerance.

Upang higit pang maimbestigahan ang impluwensya ng mga pagbabago sa kapal ng mga plato ng elektrod at diaphragms sa diameter at haba ng core ng coil, ang pagkuha ng 4680 malaking cylindrical na buong electrode ear cell bilang isang halimbawa, sa pag-aakalang ang diameter ng coil needle ay 1mm, ang kapal ng ang closing tape ay 16um, ang kapal ng isolation film ay 10um, ang cold pressing kapal ng positive electrode plate ay 171um, ang kapal sa panahon ng winding ay 174um, ang cold pressing kapal ng negative electrode plate ay 249um, ang kapal sa panahon ng winding ay 255um, at ang parehong dayapragm at negatibong mga plato ng elektrod ay paunang pinagsama para sa 2 pagliko. Ang pagkalkula ay nagpapakita na ang positibong plato ng elektrod ay nasugatan para sa 47 na pagliko, na may haba na 3371.6mm, Ang negatibong elektrod ay nasugatan ng 49.5 beses, na may haba na 3449.7mm at isang diameter na 44.69mm pagkatapos ng paikot-ikot.

Figure 5: Ang Impluwensiya ng Pagbabago ng Kapal ng Pole at Diaphragm sa Core Diameter at Haba ng Pole

Mula sa figure sa itaas, maaari itong madaling makita na ang pagbabagu-bago ng kapal ng piraso ng poste at dayapragm ay may tiyak na epekto sa diameter at haba ng coil core. Kapag ang kapal ng piraso ng poste ay lumihis ng 1um, ang diameter at haba ng coil core ay tumataas ng humigit-kumulang 0.2%, habang kapag ang kapal ng diaphragm ay lumihis ng 1um, ang diameter at haba ng coil core ay tumataas ng halos 0.5%. Samakatuwid, upang makontrol ang pagkakapare-pareho ng diameter ng core ng coil, ang pagbabagu-bago ng piraso ng poste at diaphragm ay dapat mabawasan hangga't maaari, At kinakailangan din na kolektahin ang relasyon sa pagitan ng rebound ng electrode plate at oras. sa pagitan ng cold pressing at winding, upang makatulong sa proseso ng disenyo ng cell.



Buod

1. Ang disenyo ng kapasidad at disenyo ng diameter ay ang pinakamababang antas ng lohika ng disenyo para sa mga cylindrical na baterya ng lithium. Ang susi sa disenyo ng kapasidad ay nasa haba ng elektrod, habang ang susi sa disenyo ng diameter ay nasa pagsusuri ng bilang ng mga layer.
2. Ang pag-aayos ng mga posisyon sa poste ng tainga ay mahalaga din. Para sa multi pole ear o full pole ear structure, maaaring gamitin ang pole ear alignment bilang criterion para sa pagsusuri sa kakayahan sa disenyo at kakayahang kontrolin ang proseso ng cell ng baterya. Ang paraan ng layer by layer analysis ay maaaring mas mahusay na matugunan ang mga kinakailangan ng poste ear position arrangement at alignment.