Hubungan Solusi Umum untuk Desain Dimensi Pelat Tiang Baterai Silinder

Hubungan Solusi Umum untuk Desain Dimensi Pelat Tiang Baterai Silinder

Baterai lithium dapat diklasifikasikan menjadi baterai persegi, soft pack, dan silinder berdasarkan metode dan bentuk pengemasannya. Diantaranya, baterai silinder memiliki keunggulan inti seperti konsistensi yang baik, efisiensi produksi yang tinggi, dan biaya produksi yang rendah. Mereka memiliki sejarah pengembangan lebih dari 30 tahun sejak didirikan pada tahun 1991. Dalam beberapa tahun terakhir, dengan dirilisnya teknologi telinga kutub Tesla, penerapan baterai silinder besar di bidang baterai daya dan penyimpanan energi telah dipercepat, menjadi sebuah penelitian. hotspot untuk perusahaan baterai litium besar.

Gambar 1: Perbandingan Kinerja pada Tingkat Tunggal dan Sistem Baterai Lithium dengan Bentuk Berbeda

Cangkang baterai berbentuk silinder dapat berupa cangkang baja, cangkang aluminium, atau kemasan lunak. Ciri umumnya adalah bahwa proses pembuatannya mengadopsi teknologi penggulungan, yang menggunakan jarum penggulungan sebagai inti dan menggerakkan jarum penggulung untuk memutar hingga melapisi dan membungkus film isolasi dan pelat elektroda bersama-sama, yang pada akhirnya membentuk inti penggulungan silinder yang relatif seragam. Seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut, proses penggulungan tipikal adalah sebagai berikut: pertama, jarum belitan menjepit diafragma untuk pra penggulungan diafragma, kemudian elektroda negatif dimasukkan di antara dua lapisan film isolasi untuk pra penggulungan elektroda negatif, dan kemudian elektroda positif dimasukkan untuk belitan berkecepatan tinggi. Setelah penggulungan selesai, mekanisme pemotongan memotong elektroda dan diafragma, dan terakhir, lapisan pita perekat diaplikasikan di ujungnya untuk memperbaiki bentuknya.

Gambar 2: Diagram skema proses penggulungan

Kontrol diameter inti setelah belitan sangat penting. Jika diameternya terlalu besar maka tidak dapat dirakit, dan jika diameternya terlalu kecil maka akan membuang-buang ruang. Oleh karena itu, desain diameter inti yang akurat sangatlah penting. Untungnya, baterai silinder memiliki geometri yang relatif teratur, dan keliling setiap lapisan elektroda dan diafragma dapat dihitung dengan memperkirakan lingkaran. Akhirnya, panjang total elektroda dapat diakumulasikan untuk mendapatkan desain kapasitas. Nilai akumulasi diameter jarum, nomor lapisan elektroda, dan nomor lapisan diafragma merupakan diameter inti luka. Perlu diperhatikan bahwa elemen inti desain baterai lithium-ion adalah desain kapasitas dan desain ukuran. Selain itu, melalui perhitungan teoritis, kita juga dapat mendesain telinga kutub pada setiap posisi inti kumparan, tidak terbatas pada kepala, ekor, atau tengah, dan juga mencakup metode desain telinga multi kutub dan semua telinga kutub untuk baterai silinder. .

Untuk mengeksplorasi masalah panjang elektroda dan diameter inti, pertama-tama kita perlu mempelajari tiga proses: pra penggulungan tak terhingga pada film isolasi, pra penggulungan tak terhingga pada elektroda negatif, dan penggulungan tak terhingga pada elektroda positif. Dengan asumsi diameter jarum kumparan adalah p, ketebalan film isolasi adalah s, ketebalan elektroda negatif adalah a, dan ketebalan elektroda positif adalah c, semuanya dalam milimeter.

• Proses pra penggulungan membran isolasi yang tak terbatas

Selama proses pra penggulungan diafragma, dua lapisan diafragma dililitkan secara bersamaan, sehingga diameter diafragma luar selama proses penggulungan selalu lebih banyak satu lapisan ketebalan diafragma (+1s) daripada diafragma bagian dalam. Diameter awal belitan diafragma bagian dalam adalah diameter ujung belitan sebelumnya, dan untuk setiap belitan awal diafragma, diameter inti bertambah empat lapis ketebalan diafragma (+4s).

Lampiran 1: Hukum variasi diameter proses pra penggulungan membran isolasi yang tak terhingga

• Proses pra penggulungan elektroda negatif yang tak terbatas

Selama proses pra penggulungan elektroda negatif, karena penambahan lapisan elektroda negatif, diameter diafragma luar selama proses penggulungan selalu satu lapisan lebih banyak dari ketebalan diafragma bagian dalam dan satu lapisan elektroda negatif ( +1s+1a), dan diameter awal belitan diafragma dalam selalu sama dengan diameter ujung lingkaran sebelumnya. Pada saat ini, untuk setiap pra lilitan elektroda negatif, diameter inti bertambah empat lapisan diafragma dan dua lapisan ketebalan elektroda negatif (+4s+2a).

Lampiran 2: Hukum variasi diameter dari proses pra penggulungan tak terhingga pada pelat elektroda negatif

Proses penggulungan pelat elektroda positif tanpa batas

Pada saat proses penggulungan elektroda positif, karena adanya penambahan lapisan elektroda positif baru maka diameter awal elektroda positif selalu sama dengan diameter ujung lingkaran sebelumnya, sedangkan diameter awal belitan diafragma dalam menjadi diameter ujung lingkaran sebelumnya ditambah ketebalan satu lapisan elektroda positif (+1c). Namun, selama proses penggulungan diafragma luar, diameternya selalu hanya satu lapisan lebih besar dari ketebalan diafragma bagian dalam dan satu lapisan elektroda negatif (+1s+1a). Pada saat ini, elektroda negatif sudah dililitkan terlebih dahulu untuk setiap lingkaran, Diameter inti kumparan bertambah 4 lapis diafragma, 2 lapis elektroda negatif, dan 2 lapis ketebalan elektroda positif (+4s+2s+2a).

Lampiran 3: Hukum variasi diameter elektroda positif selama proses penggulungan tak terhingga

Di atas, melalui analisis proses belitan tak hingga pada diafragma dan pelat elektroda, diperoleh pola variasi diameter inti dan panjang pelat elektroda. Metode penghitungan analitik lapis demi lapis ini kondusif untuk mengatur posisi telinga elektroda secara akurat (termasuk telinga kutub tunggal, telinga kutub banyak, dan telinga kutub penuh), tetapi proses penggulungan belum berakhir. Pada titik ini, pelat elektroda positif, pelat elektroda negatif, dan film isolasi berada dalam keadaan rata. Prinsip dasar desain baterai adalah mengharuskan film isolasi menutupi seluruh pelat elektroda negatif. Dan elektroda negatif juga harus menutupi elektroda positif sepenuhnya.

Gambar 3: Diagram skema struktur kumparan baterai silinder dan proses penutupannya

Therefore, it is necessary to further explore the issue of winding the core negative electrode and isolation film. Obviously, since the positive electrode has already been wound, and before this, the initial diameter of the positive electrode is always equal to the end diameter of the previous circle, the initial diameter of the inner layer diaphragm replaces the end diameter of the previous circle. On this basis, the initial diameter of the negative electrode increases the thickness of one layer of diaphragm (+1s), Increase the initial diameter of the outer diaphragm by one more layer of negative electrode thickness (+1s+1a).

Lampiran 4: Variasi diameter dan panjang elektroda dan diafragma selama proses penggulungan baterai silinder

Sejauh ini, kita telah memperoleh ekspresi matematis dari panjang pelat positif, pelat negatif, dan film isolasi pada sejumlah siklus belitan. Misalkan diafragma adalah pra lilitan m+1 siklus, pelat negatif adalah pra lilitan n+1 siklus, pelat positif adalah lilitan x+1 siklus, dan sudut tengah pelat negatif adalah θ °, sudut tengah isolasi belitan film adalah β°, maka terdapat hubungan sebagai berikut:

Penentuan jumlah lapisan elektroda dan diafragma tidak hanya menentukan panjang elektroda dan diafragma, yang pada gilirannya mempengaruhi desain kapasitas, tetapi juga menentukan diameter akhir inti kumparan, sehingga sangat mengurangi risiko perakitan inti kumparan. Meskipun kami memperoleh diameter inti setelah penggulungan, kami tidak mempertimbangkan ketebalan telinga tiang dan kertas perekat ujung. Dengan asumsi tebal telinga positif adalah tabc, tebal telinga negatif adalah taba, dan perekat ujung adalah 1 lingkaran dan bidang yang tumpang tindih menghindari posisi telinga kutub, dengan ketebalan g. Oleh karena itu, diameter akhir inti adalah:

Rumus di atas adalah hubungan solusi umum untuk desain pelat elektroda baterai berbentuk silinder. Ini menentukan masalah panjang pelat elektroda, panjang diafragma, dan diameter inti kumparan, dan secara kuantitatif menggambarkan hubungan di antara keduanya, sangat meningkatkan akurasi desain dan memiliki nilai aplikasi praktis yang besar.

Terakhir yang perlu kita selesaikan adalah masalah penataan telinga tiang. Biasanya terdapat satu atau dua kuping galah atau bahkan tiga kuping galah dalam satu buah kuping, yang merupakan sejumlah kecil kuping galah. Ujung tab dilas ke permukaan potongan tiang. Meskipun hal ini dapat mempengaruhi keakuratan desain panjang potongan tiang sampai batas tertentu (tanpa mempengaruhi diameter), ujung tab biasanya sempit dan memiliki dampak yang kecil. Oleh karena itu, rumus solusi umum untuk desain ukuran baterai silinder diusulkan dalam artikel ini mengabaikan masalah ini.

Gambar 4: Tata Letak Posisi Telinga Positif dan Negatif

Diagram di atas merupakan diagram skema penempatan pole lugs. Berdasarkan hubungan umum ukuran potongan tiang yang diusulkan sebelumnya, kita dapat dengan jelas memahami perubahan panjang dan diameter setiap lapisan potongan tiang selama proses penggulungan. Oleh karena itu, ketika menyusun lug tiang, lug positif dan negatif dapat diatur secara akurat pada posisi target potongan tiang jika ada satu lug tiang, sedangkan untuk lug tiang banyak atau penuh, biasanya diperlukan penyelarasan. beberapa lapisan lug tiang, Atas dasar ini kita hanya perlu menyimpang dari sudut tetap setiap lapisan lug, sehingga diperoleh posisi susunan setiap lapisan lug. Ketika diameter inti belitan meningkat secara bertahap selama proses belitan, jarak susunan keseluruhan lug kira-kira diubah oleh perkembangan aritmatika dengan π (4s+2a+2c) sebagai toleransi.

Untuk menyelidiki lebih lanjut pengaruh fluktuasi ketebalan pelat elektroda dan diafragma terhadap diameter dan panjang inti kumparan, ambil contoh sel telinga elektroda penuh silinder besar 4680 sebagai contoh, dengan asumsi diameter jarum kumparan adalah 1mm, ketebalannya pita penutup adalah 16um, ketebalan film isolasi adalah 10um, ketebalan pengepresan dingin dari pelat elektroda positif adalah 171um, ketebalan selama penggulungan adalah 174um, ketebalan pengepresan dingin dari pelat elektroda negatif adalah 249um, ketebalan selama penggulungan adalah 255um, dan pelat diafragma dan elektroda negatif telah digulung sebelumnya selama 2 putaran. Perhitungan menunjukkan bahwa pelat elektroda positif dililit sebanyak 47 putaran, dengan panjang 3371,6 mm, elektroda negatif dililit sebanyak 49,5 kali, dengan panjang 3449,7 mm dan diameter setelah dililitkan 44,69 mm.

Gambar 5 Pengaruh Fluktuasi Ketebalan Tiang dan Diafragma terhadap Diameter Inti dan Panjang Tiang

Dari gambar di atas secara intuitif terlihat bahwa fluktuasi ketebalan potongan kutub dan diafragma mempunyai pengaruh tertentu terhadap diameter dan panjang inti kumparan. Ketika ketebalan potongan tiang menyimpang sebesar 1um, diameter dan panjang inti kumparan bertambah sekitar 0,2%, sedangkan ketika ketebalan diafragma menyimpang sebesar 1um, diameter dan panjang inti kumparan bertambah sekitar 0,5%. Oleh karena itu, untuk mengontrol konsistensi diameter inti kumparan, fluktuasi potongan kutub dan diafragma harus diminimalkan semaksimal mungkin, dan juga perlu untuk mengumpulkan hubungan antara pantulan pelat elektroda dan waktu. antara pengepresan dingin dan penggulungan, untuk membantu proses desain sel.



Ringkasan

1. Desain kapasitas dan desain diameter adalah logika desain tingkat terendah untuk baterai lithium silinder. Kunci desain kapasitas terletak pada panjang elektroda, sedangkan kunci desain diameter terletak pada analisis jumlah lapisan.
2. Pengaturan posisi tiang telinga juga penting. Untuk struktur telinga multi kutub atau telinga kutub penuh, penyelarasan telinga kutub dapat digunakan sebagai kriteria untuk mengevaluasi kemampuan desain dan kemampuan kontrol proses sel baterai. Metode analisis lapis demi lapis dapat lebih memenuhi persyaratan pengaturan dan penyelarasan posisi tiang telinga.