Általános megoldási összefüggés a hengeres akkumulátorok póluslemez-méreteinek tervezésére

Általános megoldási összefüggés a hengeres akkumulátorok póluslemez-méreteinek tervezésére

A lítium akkumulátorok csomagolási módjuk és formájuk alapján négyzet alakú, puha és hengeres elemekre oszthatók. Ezek közül a hengeres akkumulátorok olyan alapvető előnyökkel rendelkeznek, mint a jó konzisztencia, a nagy gyártási hatékonyság és az alacsony gyártási költségek. 1991-es megalakulásuk óta több mint 30 éves fejlesztési múlttal rendelkeznek. Az elmúlt években, a Tesla minden pólusú füles technológiájának kibocsátásával, felgyorsult a nagyméretű hengeres akkumulátorok alkalmazása az akkumulátorok és az energiatárolás területén, és kutatási területté vált. hotspot a nagy lítium akkumulátorokat gyártó cégek számára.

1. ábra: A különböző formájú lítium akkumulátorok teljesítményének összehasonlítása egyedi és rendszerszinten

A hengeres akkumulátorház lehet acélhéj, alumínium héj vagy puha tokozás. Közös jellemzője, hogy a gyártási folyamat során a tekercselési technológiát alkalmazzák, amely a tekercselő tűt használja magként, és a tekercselő tűt úgy hajtja, hogy elforduljon, hogy rétegezzen és egymásba tekerje a szigetelőfóliát és az elektródalemezt, így végül egy viszonylag egyenletes hengeres tekercsmagot képez. Amint az alábbi ábrán látható, egy tipikus tekercselési folyamat a következő: először a tekercselő tű szorítja a membránt a membrán előtekercselése érdekében, majd a negatív elektródát behelyezik két réteg szigetelőfólia közé a negatív elektróda előtekercselése céljából, majd a pozitív elektródát behelyezzük a nagysebességű tekercseléshez. A tekercselés befejezése után a vágómechanizmus levágja az elektródát és a membránt, végül a végére ragasztószalagot helyeznek fel az alak rögzítésére.

2. ábra: A tekercselési folyamat sematikus diagramja

A mag átmérőjének szabályozása a tekercselés után kulcsfontosságú. Ha az átmérő túl nagy, akkor nem szerelhető össze, ha pedig túl kicsi, akkor helypazarlás. Ezért a mag átmérőjének pontos tervezése kulcsfontosságú. Szerencsére a hengeres elemek viszonylag szabályos geometriájúak, és az egyes elektródarétegek és membránok kerülete egy kör közelítésével kiszámítható. Végül az elektróda teljes hosszát össze lehet gyűjteni, hogy megkapjuk a kapacitástervezést. A tű átmérőjének, az elektródaréteg számának és a membránréteg számának összesített értéke a sebmag átmérője. Meg kell jegyezni, hogy a lítium-ion akkumulátor tervezésének alapvető elemei a kapacitás- és mérettervezés. Ezen túlmenően elméleti számítások révén a tekercsmag tetszőleges pozíciójában megtervezhetjük a pólusfüleket is, nem korlátozva a fejre, a farokra vagy a középpontra, valamint kiterjed a hengeres akkumulátorok többpólusú fülének és minden pólusú fülének tervezési módszereire is. .

Az elektródahossz és a magátmérő kérdéseinek feltárásához először három folyamatot kell tanulmányoznunk: a szigetelőfólia végtelen előtekercseit, a negatív elektróda végtelen előtekercsét és a pozitív elektróda végtelen tekercselését. Feltételezve, hogy a tekercs tű átmérője p, a szigetelő film vastagsága s, a negatív elektróda vastagsága a, a pozitív elektródé pedig c, mindezt milliméterben.

• A szigetelő membrán végtelen előtekercselési folyamata

A membrán előtekercselési folyamata során két réteg membránt egyszerre tekercselnek fel, így a külső membrán átmérője a tekercselés során mindig eggyel több membránvastagsággal (+1s), mint a belső membráné. A belső membrántekercs kezdeti átmérője az előző tekercs végátmérője, és a membrán minden egyes előtekercselésénél a mag átmérője négy membránvastagságú réteggel (+4s) nő.

1. függelék: A szigetelő membrán végtelen előtekercselési folyamatának átmérőváltozási törvénye

• A negatív elektróda végtelen előtekercselési folyamata

A negatív elektróda előtekercselése során a negatív elektróda réteg hozzáadása miatt a külső membrán átmérője a tekercselési folyamat során mindig egy réteggel nagyobb, mint a belső membrán vastagsága és egy réteg negatív elektróda ( +1s+1a), és a belső membrán tekercsének kezdeti átmérője mindig megegyezik az előző kör végátmérőjével. Ekkor a negatív elektróda minden egyes előtekercsénél a mag átmérője négy réteg membránnal és két réteg negatív elektróda vastagsággal (+4s+2a) nő.

2. függelék: A negatív elektródalemez végtelen előtekercselési folyamatának átmérőváltozási törvénye

A pozitív elektródalemez végtelen tekercselési folyamata

A pozitív elektróda tekercselése során egy új pozitív elektródaréteg hozzáadása miatt a pozitív elektróda kezdeti átmérője mindig megegyezik az előző kör végátmérőjével, míg a belső membrán tekercsének kezdeti átmérője az előző kör végátmérője plusz egy pozitív elektródaréteg vastagsága (+1c). A külső membrán tekercselése során azonban az átmérő mindig csak egy réteggel nagyobb, mint a belső membrán vastagsága és egy réteg negatív elektróda (+1s+1a). Ekkor a negatív elektródát minden körben előtekercselik. A tekercsmag átmérője 4 réteg membránnal, 2 réteg negatív elektródával és 2 réteg pozitív elektróda vastagsággal nő (+4s+2s+2a).

3. függelék: A pozitív elektróda átmérőjének változási törvénye végtelen tekercselési folyamat során

A fentiekben a membrán és az elektródalemez végtelen tekercselési folyamatának elemzése révén megkaptuk a mag átmérőjének és az elektródalemez hosszának változási mintáját. Ez a rétegenkénti analitikai számítási módszer lehetővé teszi az elektródafülek (beleértve az egypólusú füleket, a többpólusú füleket és a teljes pólusú füleket) helyzetének pontos elrendezését, de a tekercselési folyamat még nem ért véget. Ezen a ponton a pozitív elektróda lemez, a negatív elektróda lemez és a szigetelő fólia öblített állapotban van. Az akkumulátor tervezésének alapelve, hogy a szigetelő fóliának teljesen le kell fednie a negatív elektróda lemezt, és a negatív elektródának teljesen le kell fednie a pozitív elektródát is.

3. ábra: A hengeres akkumulátortekercs szerkezetének és zárási folyamatának sematikus diagramja

Ezért tovább kell vizsgálni a mag negatív elektróda és a szigetelőfólia tekercselésének kérdését. Nyilvánvaló, hogy mivel a pozitív elektródát már feltekerték, és ezt megelőzően a pozitív elektróda kezdeti átmérője mindig megegyezik az előző kör végátmérőjével, a belső réteg membránjának kezdeti átmérője helyettesíti az előző kör végátmérőjét . Ennek alapján a negatív elektróda kezdeti átmérője megnöveli a membrán egy rétegének vastagságát (+1s), a külső membrán kezdeti átmérőjét pedig még egy réteg negatív elektródavastagsággal (+1s+1a).

4. függelék: Az elektróda és a membrán átmérőjének és hosszának változásai a hengeres akkumulátorok tekercselési folyamata során

Eddig tetszőleges számú tekercselési ciklus mellett megkaptuk a pozitív lemez, a negatív lemez és az izolációs film hosszának matematikai kifejezését. Tegyük fel, hogy a membránt m+1 ciklus előre feltekercseljük, a negatív lemezt n+1 ciklust, a pozitív lemezt x+1 ciklust, és a negatív lemez középső szöge θ °, a központi szigetelési szög A film tekercselése β °, akkor a következő összefüggés áll fenn:

Az elektróda- és membránrétegek számának meghatározása nemcsak az elektróda és a membrán hosszát határozza meg, ami viszont befolyásolja a kapacitás kialakítását, hanem meghatározza a tekercsmag végső átmérőjét is, nagymértékben csökkentve a tekercsmag összeszerelési kockázatát. Bár a mag átmérőjét a tekercselés után kaptuk meg, nem vettük figyelembe a pólusfül és a lezáró ragasztópapír vastagságát. Feltételezve, hogy a pozitív fül vastagsága tabc, a negatív fül vastagsága taba, és a lezáró ragasztó 1 kör, és az átfedő terület elkerüli a pólusfül helyzetét, g vastagsággal. Ezért a mag végső átmérője:

A fenti képlet az általános megoldási összefüggés a hengeres akkumulátorelektróda lemezek tervezésére. Meghatározza az elektródalemez hosszának, a membránhossznak és a tekercsmag átmérőjének problémáját, és mennyiségileg leírja a köztük lévő kapcsolatot, nagymértékben javítva a tervezési pontosságot és nagy gyakorlati alkalmazási értékkel bír.

Végül, amit meg kell oldanunk, az a rúdfülek elrendezésének problémája. Általában egy vagy két rúdfül van, vagy akár három rúdfül is egy rúddarabon, ami kevés pólusfül. A fül vezeték a pólusdarab felületéhez van hegesztve. Bár bizonyos mértékig befolyásolhatja a pólushosszúság tervezésének pontosságát (anélkül, hogy befolyásolná az átmérőt), a fül vezeték általában keskeny és csekély a hatása, ezért a jelen cikkben javasolt általános megoldási képlet a hengeres akkumulátorok mérettervezésére. figyelmen kívül hagyja ezt a kérdést.

4. ábra: A pozitív és negatív fülhelyzetek elrendezése

A fenti ábra a pólusfülek elhelyezésének sematikus diagramja. A pólusdarab méretének korábban javasolt általános összefüggése alapján egyértelműen megérthetjük az egyes pólusdarabok rétegeinek hosszának és átmérőjének változását a tekercselés során. Ezért a pólusfülek elrendezésekor a pozitív és negatív fülek pontosan elrendezhetők a pólusdarab célpozíciójában egypólusú fül esetén, míg több vagy teljes pólusú fülek esetén általában az illesztés szükséges. több réteg pólusfülek, Ezen az alapon csak el kell térnünk az egyes sarurétegek rögzített szögétől, hogy megkapjuk az egyes fülek rétegeinek elrendezési helyzetét. Mivel a tekercselési folyamat során a tekercsmag átmérője fokozatosan növekszik, a fül teljes elrendezési távolsága hozzávetőlegesen megváltozik a π (4s+2a+2c) tűréssel rendelkező aritmetikai progresszióval.

Az elektródalemezek és membránok vastagság-ingadozásának a tekercsmag átmérőjére és hosszára gyakorolt ​​hatásának további vizsgálata érdekében a 4680-as nagy, hengeres, teljes elektródával rendelkező fülcellát példának véve, feltételezve, hogy a tekercs tű átmérője 1 mm, a vastagság a zárószalag 16um, a szigetelőfólia vastagsága 10um, a pozitív elektróda lemez hidegsajtolási vastagsága 171um, a vastagsága a tekercselés során 174um, a negatív elektróda lemez hidegsajtolási vastagsága 249um, a vastagsága tekercselés közben 255 um, és mind a membrán, mind a negatív elektróda lemezei 2 fordulaton elő vannak hengerelve. A számítás azt mutatja, hogy a pozitív elektróda lemezt 47 fordulatig tekercselték fel, hossza 3371,6 mm, a negatív elektróda 49,5-szer van feltekerve, hossza 3449,7 mm, átmérője 44,69 mm a tekercselés után.

5. ábra: A pólus és a membrán vastagsági ingadozásának hatása a mag átmérőjére és a pólus hosszára

A fenti ábrán intuitív módon látható, hogy a pólusdarab és a membrán vastagságának ingadozása bizonyos hatással van a tekercsmag átmérőjére és hosszára. Ha a pólusdarab vastagsága 1 um-rel eltér, a tekercsmag átmérője és hossza körülbelül 0,2%-kal nő, míg ha a membrán vastagsága 1 um-rel eltér, a tekercsmag átmérője és hossza körülbelül 0,5%-kal nő. Ezért a tekercsmag átmérőjének konzisztenciájának ellenőrzése érdekében a pólusdarab és a membrán ingadozását a lehető legkisebbre kell csökkenteni, valamint össze kell gyűjteni az elektródalemez visszapattanása és az idő közötti összefüggést. hideg sajtolás és tekercselés között, hogy segítse a cella tervezési folyamatát.



Összegzés

1. A kapacitás és az átmérő kialakítása a legalacsonyabb szintű tervezési logika a hengeres lítium akkumulátorokhoz. A kapacitás tervezésének kulcsa az elektróda hosszában, míg az átmérő tervezésénél a rétegek számának elemzésében rejlik.
2. A pólusfül pozíciók elrendezése szintén döntő jelentőségű. Többpólusú füles vagy teljes pólusú füles szerkezeteknél a pólusfül-igazítás használható kritériumként az akkumulátorcella tervezési képességének és folyamatszabályozási képességének értékeléséhez. A rétegenkénti elemzés módszere jobban megfelel a pólusfül helyzetének elrendezésére és igazítására vonatkozó követelményeknek.