Silindirik Pillerin Kutup Plakası Boyutlarının Tasarımı İçin Genel Çözüm İlişkisi

Silindirik Pillerin Kutup Plakası Boyutlarının Tasarımı İçin Genel Çözüm İlişkisi

Lityum piller paketleme yöntemlerine ve şekillerine göre kare, yumuşak paket ve silindirik piller olarak sınıflandırılabilir. Bunlar arasında silindirik pillerin iyi tutarlılık, yüksek üretim verimliliği ve düşük üretim maliyetleri gibi temel avantajları vardır. 1991 yılındaki başlangıçlarından bu yana 30 yılı aşkın bir gelişim geçmişine sahiptirler. Son yıllarda Tesla'nın tüm kutuplu kulak teknolojisinin piyasaya sürülmesiyle birlikte, büyük silindirik pillerin güç pilleri ve enerji depolama alanlarındaki uygulamaları hızlanmış ve bir araştırma haline gelmiştir. büyük lityum pil şirketlerinin erişim noktası.

Şekil 1: Farklı Şekillerdeki Lityum Pillerin Tek ve Sistem Seviyelerindeki Performanslarının Karşılaştırılması

Silindirik pil kabuğu çelik bir kabuk, alüminyum bir kabuk veya yumuşak bir paket olabilir. Ortak özelliği, üretim sürecinin, sarma iğnesini çekirdek olarak kullanan ve sarma iğnesini katmana döndürmek ve izolasyon filmini ve elektrot plakasını birlikte sarmak için hareket ettiren ve sonuçta nispeten düzgün bir silindirik sarma çekirdeği oluşturan sarma teknolojisini benimsemesidir. Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, tipik bir sarma işlemi şu şekildedir: ilk olarak, sarma iğnesi, diyaframın ön sarımı için diyaframı sıkıştırır, ardından negatif elektrot, negatif elektrotun ön sarımı için iki izolasyon filmi katmanı arasına yerleştirilir. ve ardından yüksek hızlı sarma için pozitif elektrot yerleştirilir. Sarma tamamlandıktan sonra kesme mekanizması elektrotu ve diyaframı keser ve son olarak ucuna şekli sabitlemek için bir yapışkan bant tabakası uygulanır.

Şekil 2: Sarma işleminin şematik diyagramı

Sargı sonrası çekirdek çapının kontrolü çok önemlidir. Çapı çok büyük olursa montajı yapılamaz, çapı çok küçük olursa yer israfı olur. Bu nedenle çekirdek çapının doğru tasarımı çok önemlidir. Neyse ki, silindirik piller nispeten düzenli geometrilere sahiptir ve her bir elektrot ve diyafram katmanının çevresi, bir daireye yaklaşılarak hesaplanabilir. Son olarak, kapasite tasarımını elde etmek için elektrotun toplam uzunluğu toplanabilir. İğne çapı, elektrot katman numarası ve diyafram katman numarasının birikmiş değerleri, yara çekirdeğinin çapıdır. Lityum iyon pil tasarımının temel unsurlarının kapasite tasarımı ve boyut tasarımı olduğuna dikkat edilmelidir. Ek olarak, teorik hesaplamalar yoluyla, baş, kuyruk veya merkezle sınırlı olmamak üzere bobin çekirdeğinin herhangi bir konumunda kutup kulağını da tasarlayabiliriz ve ayrıca silindirik piller için çok kutuplu kulak ve tüm kutuplu kulak tasarım yöntemlerini de kapsayabiliriz. .

Elektrot uzunluğu ve çekirdek çapı sorunlarını araştırmak için öncelikle üç süreci incelememiz gerekir: izolasyon filminin sonsuz ön sarımı, negatif elektrotun sonsuz ön sarımı ve pozitif elektrotun sonsuz sarımı. Bobin iğnesinin çapının p, izolasyon filminin kalınlığının s, negatif elektrotun kalınlığının a ve pozitif elektrotun kalınlığının c olduğunu varsayarsak hepsi milimetre cinsindendir.

• İzolasyon membranının sonsuz ön sarma işlemi

Diyaframın ön sarım işlemi sırasında, iki diyafram katmanı aynı anda sarılır, böylece sarma işlemi sırasında dış diyaframın çapı her zaman iç diyaframdan bir kat daha fazla diyafram kalınlığı (+1s) olur. İç diyafram sarımının başlangıç ​​çapı, önceki sarımın uç çapıdır ve diyaframın her ön sarımı için çekirdek çapı, dört kat diyafram kalınlığı (+4s) kadar artar.

Ek 1: İzolasyon membranının sonsuz ön sarım işleminin çap değişimi kanunu

• Negatif elektrotun sonsuz ön sarma işlemi

Negatif elektrotun ön sarım işlemi sırasında, bir negatif elektrot tabakasının eklenmesi nedeniyle, sarım işlemi sırasında dış diyaframın çapı her zaman iç diyaframın ve negatif elektrotun bir katmanının kalınlığından bir kat daha fazladır ( +1s+1a) ve iç diyafram sargısının başlangıç ​​çapı her zaman önceki dairenin uç çapına eşittir. Bu sırada, negatif elektrodun her ön sarımı için çekirdek çapı dört diyafram katmanı ve iki negatif elektrot kalınlığı (+4s+2a) kadar artar.

Ek 2: Negatif elektrot plakasının sonsuz ön sarma işleminin çap değişimi yasası

Pozitif elektrot plakasının sonsuz sarma işlemi

Pozitif elektrotun sarılma işlemi sırasında, yeni bir pozitif elektrot katmanının eklenmesi nedeniyle, pozitif elektrotun başlangıç ​​çapı her zaman önceki dairenin uç çapına eşit olurken, iç diyafram sargısının başlangıç ​​çapı şu şekilde olur: önceki dairenin uç çapı artı bir pozitif elektrot katmanının kalınlığı (+1c). Ancak dış diyaframın sarılma işlemi sırasında çap her zaman iç diyaframın kalınlığından ve negatif elektrottan (+1s+1a) bir kat daha fazladır. Şu anda, negatif elektrot her daire için önceden sarılır. Bobin çekirdeğinin çapı, 4 kat diyafram, 2 kat negatif elektrot ve 2 kat pozitif elektrot kalınlığı (+4s+2s+2a) kadar artar.

Ek 3: Sonsuz sarma işlemi sırasında pozitif elektrotun çap değişimi yasası

Yukarıda diyaframın ve elektrot plakasının sonsuz sarma işleminin analizi yoluyla çekirdek çapının ve elektrot plakası uzunluğunun değişim modelini elde ettik. Bu katman katman analitik hesaplama yöntemi, elektrot kulaklarının (tek kutuplu kulaklar, çok kutuplu kulaklar ve tam kutuplu kulaklar dahil) konumunun doğru bir şekilde düzenlenmesine yardımcı olur, ancak sarma işlemi henüz sona ermemiştir. Bu noktada pozitif elektrot plakası, negatif elektrot plakası ve izolasyon filmi aynı hizadadır. Pil tasarımının temel prensibi, izolasyon filminin negatif elektrot plakasını tamamen kaplamasını gerektirmektir ve negatif elektrot, pozitif elektrotu da tamamen kaplamalıdır.

Şekil 3: Silindirik akü bobin yapısının ve kapatma işleminin şematik diyagramı

Bu nedenle, çekirdek negatif elektrodu ve izolasyon filmini sarma konusunu daha fazla araştırmak gerekir. Açıkçası, pozitif elektrot zaten sarılmış olduğundan ve bundan önce pozitif elektrotun başlangıç ​​çapı her zaman önceki dairenin uç çapına eşit olduğundan, iç katman diyaframının başlangıç ​​çapı önceki dairenin uç çapının yerini alır. . Buna dayanarak, negatif elektrotun başlangıç ​​çapı diyaframın bir katmanının kalınlığını (+1s) artırır, dış diyaframın başlangıç ​​çapını bir negatif elektrot kalınlığı katmanı (+1s+1a) kadar arttırır.

Ek 4: Silindirik pillerin sarılma işlemi sırasında elektrot ve diyaframın çapı ve uzunluğundaki değişiklikler

Şu ana kadar pozitif plakanın, negatif plakanın ve izolasyon filminin uzunluğunun herhangi bir sayıda sarma döngüsü altında matematiksel ifadesini elde ettik. Diyaframın m+1 döngü, negatif plakanın n+1 döngü, pozitif plakanın x+1 döngü önceden sarıldığını ve negatif plakanın merkez açısının θ°, izolasyonun merkez açısı olduğunu varsayalım. film sarımı β° ise aşağıdaki ilişki vardır:

Elektrot ve diyafram katmanlarının sayısının belirlenmesi, yalnızca elektrot ve diyaframın uzunluğunu belirlemekle kalmaz, bu da kapasite tasarımını etkiler, aynı zamanda bobin çekirdeğinin son çapını da belirleyerek bobin çekirdeğinin montaj riskini büyük ölçüde azaltır. Göbeğin çapını sarım sonrası elde etmemize rağmen direk kulağının kalınlığını ve uç yapışkan kağıdını dikkate almadık. Pozitif kulağın kalınlığının taba olduğunu, negatif kulağın kalınlığının taba olduğunu ve uç yapıştırıcının 1 daire olduğunu ve üst üste binen alanın g kalınlığındaki kutup kulağının konumunu engellediğini varsayarsak. Bu nedenle çekirdeğin son çapı:

Yukarıdaki formül, silindirik akü elektrot plakalarının tasarımı için genel çözüm ilişkisidir. Elektrot plakası uzunluğu, diyafram uzunluğu ve bobin çekirdek çapı sorununu belirler ve aralarındaki ilişkiyi niceliksel olarak tanımlar, tasarım doğruluğunu büyük ölçüde artırır ve büyük pratik uygulama değerine sahiptir.

Son olarak çözmemiz gereken kutup kulaklarının düzenlenmesi sorunudur. Genellikle az sayıda kutup kulağı olan bir kutup parçası üzerinde bir veya iki kutup kulağı, hatta üç kutup kulağı bulunur. Tırnak ucu kutup parçasının yüzeyine kaynaklanmıştır. Her ne kadar kutup parçası uzunluğu tasarımının doğruluğunu bir dereceye kadar etkileyebilse de (çapı etkilemeden), tırnak ucu genellikle dardır ve çok az etkiye sahiptir. Bu nedenle, bu makalede önerilen silindirik pillerin boyut tasarımı için genel çözüm formülü bu konuyu görmezden geliyor.

Şekil 4: Pozitif ve Negatif Kulak Pozisyonlarının Düzeni

Yukarıdaki diyagram direk pabuçlarının yerleşimini gösteren şematik bir diyagramdır. Kutup parçası boyutuyla ilgili daha önce önerilen genel ilişkiye dayanarak, sarma işlemi sırasında her kutup parçası katmanının uzunluk ve çap değişikliklerini açıkça anlayabiliyoruz. Bu nedenle, kutup pabuçlarını düzenlerken, tek kutuplu pabuç durumunda pozitif ve negatif pabuçlar kutup parçasının hedef konumunda doğru bir şekilde düzenlenebilirken, çoklu veya tam kutup pabuçları durumunda genellikle hizalanması gerekir. birden fazla kutup pabucu katmanı, Bu temelde, her bir pabuç katmanının düzenleme konumunu elde etmek için yalnızca her bir pabuç katmanının sabit açısından sapmamız gerekir. Sarma işlemi sırasında sarım çekirdeğinin çapı kademeli olarak arttıkça, pabucun genel düzenleme mesafesi, tolerans olarak π (4s+2a+2c) ile aritmetik ilerleme ile yaklaşık olarak değişir.

Elektrot plakaları ve diyaframların kalınlık dalgalanmalarının bobin çekirdeğinin çapı ve uzunluğu üzerindeki etkisini daha fazla araştırmak için, 4680 büyük silindirik tam elektrotlu kulak hücresini örnek alarak, bobin iğnesi çapının 1 mm olduğunu varsayarak, bobinin kalınlığını kapatma bandı 16um, izolasyon filminin kalınlığı 10um, pozitif elektrot plakasının soğuk presleme kalınlığı 171um, sarım sırasındaki kalınlık 174um, soğuk presleme Negatif elektrot plakasının kalınlığı 249um'dur, sarım sırasındaki kalınlık 255um'dur ve hem diyafram hem de negatif elektrot plakaları 2 tur boyunca önceden haddelenmiştir. Hesaplama, pozitif elektrot plakasının 3371,6 mm uzunluğunda 47 tur boyunca sarıldığını, negatif elektrotun ise sarım sonrasında 3449,7 mm uzunluğunda ve 44,69 mm çapında 49,5 kez sarıldığını göstermektedir.

Şekil 5: Direk ve Diyaframın Kalınlık Dalgalanmasının Çekirdek Çapı ve Direk Uzunluğuna Etkisi

Yukarıdaki şekilden, kutup parçasının ve diyaframın kalınlığındaki dalgalanmanın, bobin çekirdeğinin çapı ve uzunluğu üzerinde belirli bir etkiye sahip olduğu sezgisel olarak görülebilir. Kutup parçasının kalınlığı 1um saptığında bobin çekirdeğinin çapı ve uzunluğu yaklaşık %0,2 artarken diyaframın kalınlığı 1um saptığında bobin çekirdeğinin çapı ve uzunluğu yaklaşık %0,5 artar. Bu nedenle bobin çekirdeğinin çapının tutarlılığını kontrol etmek için kutup parçası ve diyaframdaki dalgalanma mümkün olduğunca en aza indirilmelidir. Ayrıca elektrot plakasının geri tepmesi ile zaman arasındaki ilişkinin de toplanması gerekir. Hücre tasarım sürecine yardımcı olmak için soğuk presleme ve sarma arasında.



Özet

1. Kapasite tasarımı ve çap tasarımı, silindirik lityum piller için en düşük seviyeli tasarım mantığıdır. Kapasite tasarımının anahtarı elektrotun uzunluğunda, çap tasarımının anahtarı ise katman sayısının analizinde yatmaktadır.
2. Kutup kulağı konumlarının düzenlenmesi de çok önemlidir. Çok kutuplu kulak veya tam kutuplu kulak yapıları için kutup kulak hizalaması, pil hücresinin tasarım yeteneği ve proses kontrol yeteneğinin değerlendirilmesinde bir kriter olarak kullanılabilir. Katman katman analiz yöntemi, kutup kulağı konumu düzenlemesi ve hizalama gereksinimlerini daha iyi karşılayabilir.