Allmän lösningsrelation för design av polplattans dimensioner för cylindriska batterier

Allmän lösningsrelation för design av polplattans dimensioner för cylindriska batterier

Litiumbatterier kan klassificeras i fyrkantiga, mjuka och cylindriska batterier baserat på deras förpackningsmetoder och former. Bland dem har cylindriska batterier kärnfördelar som god konsistens, hög produktionseffektivitet och låga tillverkningskostnader. De har en utvecklingshistoria på över 30 år sedan starten 1991. Under de senaste åren, med lanseringen av Teslas all pole ear-teknologi, har tillämpningen av stora cylindriska batterier inom områdena kraftbatterier och energilagring accelererat, och blivit en forskning hotspot för stora litiumbatteriföretag.

Figur 1: Jämförelse av prestanda på singel- och systemnivåer för litiumbatterier med olika former

Det cylindriska batteriskalet kan vara ett stålskal, ett aluminiumskal eller ett mjukt paket. Dess gemensamma drag är att tillverkningsprocessen antar lindningsteknik, som använder lindningsnålen som kärna och driver lindningsnålen att rotera till skikt och linda isoleringsfilmen och elektrodplattan tillsammans, vilket slutligen bildar en relativt enhetlig cylindrisk lindningskärna. Som visas i följande figur är en typisk lindningsprocess som följer: först klämmer lindningsnålen fast membranet för förlindning av membranet, sedan förs den negativa elektroden in mellan två lager av isoleringsfilm för förlindning av den negativa elektroden, och sedan sätts den positiva elektroden in för höghastighetslindning. Efter att lindningen är klar skär skärmekanismen av elektroden och membranet, och slutligen appliceras ett lager av tejp i änden för att fixera formen.

Figur 2: Schematiskt diagram över lindningsprocessen

Styrningen av kärndiametern efter lindning är avgörande. Om diametern är för stor kan den inte monteras, och om diametern är för liten är det slöseri med utrymme. Därför är noggrann design av kärndiametern avgörande. Lyckligtvis är cylindriska batterier relativt regelbundna geometrier, och omkretsen av varje lager av elektrod och membran kan beräknas genom att approximera en cirkel. Slutligen kan elektrodens totala längd ackumuleras för att erhålla kapacitetsdesignen. De ackumulerade värdena för nåldiameter, elektrodlagernummer och diafragmalagernummer är diametern på den lindade kärnan. Det bör noteras att kärnelementen i litiumjonbatteridesign är kapacitetsdesign och storleksdesign. Dessutom, genom teoretiska beräkningar, kan vi också designa polörat i vilken position som helst av spolens kärna, inte begränsat till huvudet, svansen eller mitten, och även täcka designmetoderna för flerpoligt öra och alla polöra för cylindriska batterier .

För att utforska frågorna om elektrodlängd och kärndiameter måste vi först studera tre processer: oändlig förlindning av isoleringsfilmen, oändlig förlindning av den negativa elektroden och oändlig lindning av den positiva elektroden. Om man antar att diametern på spolnålen är p, är tjockleken på isoleringsfilmen s, tjockleken på den negativa elektroden är a och tjockleken på den positiva elektroden är c, allt i millimeter.

• Oändlig förlindningsprocess av isoleringsmembran

Under förlindningsprocessen av membranet lindas två lager av membran samtidigt, så diametern på det yttre membranet under lindningsprocessen är alltid ett skikt mer membrantjocklek (+1s) än det inre membranet. Den initiala diametern på den inre membranlindningen är änddiametern på den föregående lindningen, och för varje förlindning av membranet ökar kärndiametern med fyra lager membrantjocklek (+4s).

Bilaga 1: Diametervariationslagen för oändlig förlindningsprocess för isoleringsmembranet

• Oändlig förlindningsprocess för negativ elektrod

Under förlindningsprocessen för den negativa elektroden, på grund av tillägget av ett lager av negativ elektrod, är diametern på det yttre membranet under lindningsprocessen alltid ett lager mer än tjockleken på det inre membranet och ett lager av negativ elektrod ( +1s+1a), och den initiala diametern för den inre membranlindningen är alltid lika med änddiametern för föregående cirkel. Vid denna tidpunkt, för varje förlindning av den negativa elektroden, ökar kärndiametern med fyra lager membran och två lager med negativ elektrodtjocklek (+4s+2a).

Bilaga 2: Diametervariationslagen för den oändliga förlindningsprocessen för den negativa elektrodplattan

Oändlig lindningsprocess av positiv elektrodplatta

Under lindningsprocessen för den positiva elektroden, på grund av tillägget av ett nytt lager av positiv elektrod, är den positiva elektrodens initiala diameter alltid lika med änddiametern för den föregående cirkeln, medan den initiala diametern för den inre membranlindningen blir änddiametern för föregående cirkel plus tjockleken på ett lager av positiv elektrod (+1c). Men under lindningsprocessen av det yttre membranet är diametern alltid bara ett lager mer än tjockleken på det inre membranet och ett lager negativ elektrod (+1s+1a). Vid denna tidpunkt förlindas den negativa elektroden för varje cirkel. Diametern på spolkärnan ökar med 4 lager membran, 2 lager negativ elektrod och 2 lager positiv elektrodtjocklek (+4s+2s+2a).

Bilaga 3: Diametervariationslagen för den positiva elektroden under oändlig lindningsprocess

Ovan, genom analysen av den oändliga lindningsprocessen för membranet och elektrodplattan, har vi erhållit variationsmönstret för kärndiametern och elektrodplattans längd. Denna analytiska beräkningsmetod lager för lager bidrar till att korrekt ordna positionen för elektrodöronen (inklusive enkelpoliga öron, flerpoliga öron och helpoliga öron), men lindningsprocessen har inte avslutats ännu. Vid denna tidpunkt är den positiva elektrodplattan, den negativa elektrodplattan och isoleringsfilmen i spoltillstånd. Grundprincipen för batteridesign är att kräva att isoleringsfilmen helt täcker den negativa elektrodplattan och den negativa elektroden ska också helt täcka den positiva elektroden.

Figur 3: Schematiskt diagram över den cylindriska batterispolens struktur och stängningsprocess

Därför är det nödvändigt att ytterligare utforska frågan om att linda den negativa kärnelektroden och isoleringsfilmen. Uppenbarligen, eftersom den positiva elektroden redan har lindats, och innan detta, den positiva elektrodens initiala diameter alltid är lika med änddiametern för den föregående cirkeln, ersätter den initiala diametern för det inre skiktets membran änddiametern för den föregående cirkeln . På grundval av detta ökar den negativa elektrodens initiala diameter tjockleken på ett lager av membran (+1s), Öka den initiala diametern för det yttre diafragman med ytterligare ett lager med negativ elektrodtjocklek (+1s+1a).

Bilaga 4: Variationer i diameter och längd på elektrod och membran under lindningsprocessen av cylindriska batterier

Hittills har vi erhållit det matematiska uttrycket av längden på positiv platta, negativ platta och isoleringsfilm under valfritt antal lindningscykler. Antag att diafragman är förlindad m+1 cykler, den negativa plattan är förlindad n+1 cykler, den positiva plattan är lindad x+1 cykler och den negativa plattans centrala vinkel är θ °, den centrala isoleringsvinkeln filmlindningen är β °, då finns det följande samband:

Bestämningen av antalet elektrod- och membranlager bestämmer inte bara längden på elektroden och membranet, vilket i sin tur påverkar kapacitetsdesignen, utan bestämmer också den slutliga diametern på spolkärnan, vilket kraftigt minskar monteringsrisken för spolkärnan. Även om vi fick diametern på kärnan efter lindning, tog vi inte hänsyn till tjockleken på polörat och det slutliga självhäftande papperet. Om man antar att tjockleken på det positiva örat är tabc, är tjockleken på det negativa örat taba, och slutlimmet är 1 cirkel och det överlappande området undviker positionen för polörat, med en tjocklek på g. Därför är kärnans slutliga diameter:

Ovanstående formel är det allmänna lösningsförhållandet för konstruktionen av cylindriska batterielektrodplattor. Den bestämmer problemet med elektrodplattans längd, membranlängden och spolens kärndiameter, och beskriver kvantitativt förhållandet mellan dem, vilket avsevärt förbättrar designnoggrannheten och har stort praktiskt tillämpningsvärde.

Till sist, vad vi behöver lösa är problemet med att ordna polöronen. Vanligtvis finns det ett eller två stångöron eller till och med tre stångöron på ett stångstycke, vilket är ett litet antal stångöron. Flikledaren är svetsad till ytan av polstycket. Även om det kan påverka noggrannheten hos polstyckets längddesign i viss utsträckning (utan att påverka diametern), är flikledningen vanligtvis smal och har liten påverkan. Därför föreslås den allmänna lösningsformeln för storleksdesignen för cylindriska batterier i denna artikel ignorerar denna fråga.

Figur 4: Layout av positiva och negativa öronpositioner

Ovanstående diagram är ett schematiskt diagram över placeringen av stolpöglor. Baserat på det tidigare föreslagna allmänna förhållandet mellan polstyckesstorlek, kan vi tydligt förstå längd- och diameterförändringarna för varje lager av polstycken under lindningsprocessen. Därför, när man arrangerar polklackar, kan de positiva och negativa klackarna vara noggrant anordnade vid målpositionen för polstycket i fallet med en enda polsklack, medan det för fallet med flera eller fulla polklackar vanligtvis krävs att rikta in flera lager av polklackar, På grundval av detta behöver vi bara avvika från den fasta vinkeln för varje lager av klackar, för att erhålla arrangemangets position för varje lager av klack. Eftersom diametern på lindningskärnan gradvis ökar under lindningsprocessen, ändras det totala arrangemangsavståndet för fliken ungefär av den aritmetiska progressionen med π (4s+2a+2c) som tolerans.

För att ytterligare undersöka inverkan av tjockleksfluktuationer hos elektrodplattor och membran på diametern och längden av spolkärnan, med den 4680 stora cylindriska helelektrodöroncellen som ett exempel, förutsatt att spolnålens diameter är 1 mm, tjockleken av stängningsbandet är 16um, tjockleken på isoleringsfilmen är 10um, kallpressningstjockleken på den positiva elektrodplattan är 171um, tjockleken under lindning är 174um, kallpressningstjockleken på den negativa elektrodplattan är 249um, tjockleken under lindning är 255um, och både diafragman och negativa elektrodplattor är förrullade i 2 varv. Beräkningen visar att den positiva elektrodplattan är lindad i 47 varv, med en längd på 3371,6 mm. Den negativa elektroden är lindad 49,5 gånger, med en längd på 3449,7 mm och en diameter på 44,69 mm efter lindning.

Figur 5: Inverkan av tjockleksfluktuationer hos pol och diafragma på kärndiametern och pollängden

Från ovanstående figur kan det intuitivt ses att fluktuationen av tjockleken på polstycket och membranet har en viss inverkan på diametern och längden på spolkärnan. När tjockleken på polstycket avviker med 1um, ökar diametern och längden på spolkärnan med ca 0,2%, medan när membranets tjocklek avviker med 1um, ökar diametern och längden på spolkärnan med ca 0,5%. Därför, för att kontrollera konsistensen av diametern på spolkärnan, bör fluktuationen av polstycket och membranet minimeras så mycket som möjligt, och det är också nödvändigt att samla in förhållandet mellan elektrodplattans återgång och tid mellan kallpressning och lindning, för att hjälpa till i celldesignprocessen.



Sammanfattning

1. Kapacitetsdesign och diameterdesign är designlogiken på lägsta nivå för cylindriska litiumbatterier. Nyckeln till kapacitetsdesign ligger i elektrodens längd, medan nyckeln till diameterdesign ligger i analysen av antalet lager.
2. Arrangemanget av pole ear positioner är också avgörande. För flerpoliga öronstrukturer eller fullpoliga öronstrukturer kan polöroninriktning användas som ett kriterium för att utvärdera battericellens designförmåga och processkontrollförmåga. Metoden för lager-för-lager-analys kan bättre uppfylla kraven på polöratpositionsarrangemang och inriktning.