رابطه راه حل کلی برای طراحی ابعاد صفحه قطب باتری های استوانه ای

رابطه راه حل کلی برای طراحی ابعاد صفحه قطب باتری های استوانه ای

باتری های لیتیومی را می توان بر اساس روش های بسته بندی و شکل آنها به باتری های مربعی، بسته نرم و استوانه ای طبقه بندی کرد. در این میان، باتری‌های استوانه‌ای دارای مزایای اصلی مانند قوام خوب، راندمان تولید بالا و هزینه‌های ساخت پایین هستند. آنها سابقه توسعه بیش از 30 سال از زمان آغاز به کار خود در سال 1991 دارند. در سال های اخیر، با انتشار فناوری گوش تمام قطبی تسلا، استفاده از باتری های استوانه ای بزرگ در زمینه باتری های قدرت و ذخیره انرژی سرعت گرفته است و به یک تحقیق تبدیل شده است. هات اسپات برای شرکت های بزرگ باتری لیتیومی.

شکل 1: مقایسه عملکرد در سطوح تکی و سیستمی باتری های لیتیومی با اشکال مختلف

پوسته باتری استوانه ای می تواند یک پوسته فولادی، یک پوسته آلومینیومی یا یک بسته نرم باشد. ویژگی مشترک آن این است که فرآیند تولید از فناوری سیم پیچی استفاده می کند که از سوزن سیم پیچ به عنوان هسته استفاده می کند و سوزن سیم پیچ را به چرخش در می آورد تا لایه ای بچرخد و فیلم جداسازی و صفحه الکترود را به هم بپیچد و در نهایت یک هسته سیم پیچ استوانه ای نسبتاً یکنواخت را تشکیل دهد. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، یک فرآیند سیم پیچ معمولی به شرح زیر است: ابتدا سوزن سیم پیچ دیافراگم را برای پیش سیم پیچی دیافراگم می بندد، سپس الکترود منفی بین دو لایه فیلم جداسازی برای پیش سیم پیچی الکترود منفی وارد می شود. و سپس الکترود مثبت برای سیم پیچی با سرعت بالا وارد می شود. پس از اتمام سیم پیچ، مکانیسم برش الکترود و دیافراگم را برش می دهد و در نهایت یک لایه نوار چسب در انتهای آن اعمال می شود تا شکل را ثابت کند.

شکل 2: نمودار شماتیک فرآیند سیم پیچی

کنترل قطر هسته پس از سیم پیچی بسیار مهم است. اگر قطر خیلی زیاد باشد، نمی توان آن را مونتاژ کرد و اگر قطر خیلی کوچک باشد، فضا هدر می رود. بنابراین، طراحی دقیق قطر هسته بسیار مهم است. خوشبختانه باتری های استوانه ای شکل هندسی نسبتا منظمی دارند و محیط هر لایه الکترود و دیافراگم را می توان با تقریب یک دایره محاسبه کرد. در نهایت، طول کل الکترود را می توان برای به دست آوردن طراحی ظرفیت جمع کرد. مقادیر انباشته شده قطر سوزن، شماره لایه الکترود و شماره لایه دیافراگم، قطر هسته زخم است. لازم به ذکر است که عناصر اصلی طراحی باتری لیتیوم یونی طراحی ظرفیت و طراحی اندازه است. علاوه بر این، از طریق محاسبات نظری، می توانیم گوش قطب را در هر موقعیتی از هسته سیم پیچ طراحی کنیم، نه محدود به سر، دم یا مرکز، و همچنین روش های طراحی گوش چند قطبی و گوش تمام قطبی برای باتری های استوانه ای را پوشش دهیم. .

برای بررسی مسائل مربوط به طول الکترود و قطر هسته، ابتدا باید سه فرآیند را مطالعه کنیم: بی نهایت پیش سیم پیچی لایه جداسازی، بی نهایت پیش سیم پیچی الکترود منفی و سیم پیچی بی نهایت الکترود مثبت. با فرض اینکه قطر سوزن سیم پیچ p باشد، ضخامت لایه جداسازی s، ضخامت الکترود منفی a و ضخامت الکترود مثبت c است، همگی بر حسب میلی متر.

• فرآیند بی نهایت پیش سیم پیچ غشای جداسازی

در طول فرآیند پیش سیم پیچی دیافراگم، دو لایه دیافراگم به طور همزمان پیچیده می شود، بنابراین قطر دیافراگم بیرونی در طول فرآیند سیم پیچی همیشه یک لایه بیشتر از ضخامت دیافراگم (+1s) از دیافراگم داخلی است. قطر اولیه سیم پیچ دیافراگم داخلی قطر انتهایی سیم پیچ قبلی است و برای هر پیش سیم پیچی دیافراگم، قطر هسته چهار لایه ضخامت دیافراگم (4+) افزایش می یابد.

پیوست 1: قانون تغییر قطر بی نهایت فرآیند پیش سیم پیچی غشای جداسازی

• فرآیند بی نهایت پیش سیم پیچ الکترود منفی

در طول فرآیند پیش سیم پیچی الکترود منفی، به دلیل افزودن یک لایه الکترود منفی، قطر دیافراگم بیرونی در طول فرآیند سیم پیچی همیشه یک لایه بیشتر از ضخامت دیافراگم داخلی و یک لایه الکترود منفی است. +1s+1a)، و قطر اولیه سیم‌پیچ دیافراگم داخلی همیشه برابر با قطر انتهایی دایره قبلی است. در این زمان، برای هر پیش سیم پیچی الکترود منفی، قطر هسته چهار لایه دیافراگم و دو لایه ضخامت الکترود منفی (+4s+2a) افزایش می یابد.

پیوست 2: قانون تغییر قطر فرآیند بی نهایت پیش سیم پیچ صفحه الکترود منفی

فرآیند سیم پیچ بی نهایت صفحه الکترود مثبت

در طول فرآیند سیم پیچی الکترود مثبت، به دلیل افزودن یک لایه جدید از الکترود مثبت، قطر اولیه الکترود مثبت همیشه برابر با قطر انتهایی دایره قبلی است، در حالی که قطر اولیه سیم پیچ دیافراگم داخلی تبدیل می شود. قطر انتهایی دایره قبلی به اضافه ضخامت یک لایه الکترود مثبت (+1c). با این حال، در طول فرآیند سیم پیچی دیافراگم خارجی، قطر همیشه تنها یک لایه بیشتر از ضخامت دیافراگم داخلی و یک لایه الکترود منفی (+1s+1a) است. در این زمان، الکترود منفی برای هر دایره از قبل پیچیده می شود، قطر هسته سیم پیچ با 4 لایه دیافراگم، 2 لایه الکترود منفی و 2 لایه ضخامت الکترود مثبت (+4s+2s+2a) افزایش می یابد.

ضمیمه 3: قانون تغییر قطر الکترود مثبت در طول فرآیند سیم پیچی بی نهایت

در بالا، از طریق تجزیه و تحلیل فرآیند سیم پیچ بی نهایت دیافراگم و صفحه الکترود، الگوی تغییر قطر هسته و طول صفحه الکترود را به دست آورده ایم. این روش محاسبه تحلیلی لایه به لایه برای تنظیم دقیق موقعیت گوش‌های الکترود (شامل گوش‌های تک قطبی، گوش‌های چند قطبی و گوش‌های تمام قطبی) مناسب است، اما فرآیند سیم‌پیچ هنوز به پایان نرسیده است. در این مرحله، صفحه الکترود مثبت، صفحه الکترود منفی و فیلم جداسازی در حالت تراز هستند. اصل اساسی طراحی باتری این است که فیلم ایزوله به طور کامل صفحه الکترود منفی را بپوشاند و الکترود منفی نیز باید الکترود مثبت را کاملاً بپوشاند.

شکل 3: نمودار شماتیک ساختار سیم پیچ باتری استوانه ای و فرآیند بسته شدن

بنابراین، لازم است موضوع سیم پیچی الکترود منفی هسته و فیلم جداسازی بیشتر مورد بررسی قرار گیرد. بدیهی است که از آنجایی که الکترود مثبت قبلاً زخمی شده است و قبل از این، قطر اولیه الکترود مثبت همیشه برابر با قطر انتهایی دایره قبلی است، قطر اولیه دیافراگم لایه داخلی جایگزین قطر انتهایی دایره قبلی می شود. . بر این اساس، قطر اولیه الکترود منفی، ضخامت یک لایه دیافراگم را افزایش می دهد (+1s)، قطر اولیه دیافراگم خارجی را یک لایه دیگر از ضخامت الکترود منفی (+1s+1a) افزایش می دهد.

پیوست 4: تغییرات قطر و طول الکترود و دیافراگم در طول فرآیند سیم پیچی باتری های استوانه ای

تاکنون بیان ریاضی طول صفحه مثبت، صفحه منفی و فیلم جداسازی را تحت هر تعداد سیکل سیم پیچی بدست آورده ایم. فرض کنید که دیافراگم قبل از زخم m+1 سیکل است، صفحه منفی قبل از زخم n+1 چرخه، صفحه مثبت چرخه x+1 است، و زاویه مرکزی صفحه منفی θ °، زاویه مرکزی جداسازی است. سیم پیچ فیلم β ° است، پس رابطه زیر وجود دارد:

تعیین تعداد لایه های الکترود و دیافراگم نه تنها طول الکترود و دیافراگم را تعیین می کند، که به نوبه خود بر طراحی ظرفیت تاثیر می گذارد، بلکه قطر نهایی هسته سیم پیچ را نیز تعیین می کند و خطر مونتاژ هسته سیم پیچ را تا حد زیادی کاهش می دهد. اگرچه قطر هسته را پس از سیم پیچی به دست آوردیم، اما ضخامت گوش قطب و کاغذ چسب انتهایی را در نظر نگرفتیم. با فرض اینکه ضخامت گوش مثبت tabc باشد، ضخامت گوش منفی تابا است و چسب انتهایی 1 دایره است و ناحیه همپوشانی از موقعیت گوش قطبی با ضخامت گرم جلوگیری می کند. بنابراین قطر نهایی هسته عبارت است از:

فرمول فوق رابطه راه حل کلی برای طراحی صفحات الکترود باتری استوانه ای است. این مشکل طول صفحه الکترود، طول دیافراگم و قطر هسته سیم پیچ را تعیین می کند و به طور کمی رابطه بین آنها را توصیف می کند و دقت طراحی را تا حد زیادی بهبود می بخشد و ارزش کاربردی عملی زیادی دارد.

در نهایت چیزی که باید حل کنیم مشکل چیدمان گوش های قطب است. معمولاً روی یک قطعه میله یک یا دو گوش قطبی یا حتی سه گوش قطبی وجود دارد که تعداد کمی گوش قطبی است. سرب زبانه به سطح قطعه قطب جوش داده می شود. اگرچه ممکن است تا حدی بر دقت طراحی طول قطعه قطب (بدون تأثیر بر قطر) تأثیر بگذارد، سرب زبانه معمولاً باریک است و تأثیر کمی دارد، بنابراین، فرمول راه حل کلی برای طراحی اندازه باتری‌های استوانه‌ای در این مقاله پیشنهاد شده است. این موضوع را نادیده می گیرد.

شکل 4: چیدمان موقعیت های مثبت و منفی گوش

نمودار فوق یک نمودار شماتیک از محل قرارگیری تیرهای میله است. بر اساس رابطه کلی که قبلاً پیشنهاد شده بود اندازه قطعه قطب، ما می توانیم به وضوح تغییرات طول و قطر هر لایه از قطعات قطب را در طول فرآیند سیم پیچی درک کنیم. بنابراین، هنگام چیدمان میله‌های قطب، می‌توان خرطوم‌های مثبت و منفی را به‌طور دقیق در موقعیت هدف قطعه قطب در حالت تک‌قطبی قرار داد، در حالی که برای گیره‌های چند قطبی یا پر، معمولاً باید تراز شوند. چند لایه میله میله، بر این اساس، فقط باید از زاویه ثابت هر لایه خرطومی انحراف داشته باشیم تا موقعیت چیدمان هر لایه را به دست آوریم. همانطور که قطر هسته سیم پیچ به تدریج در طول فرآیند سیم پیچ افزایش می یابد، فاصله آرایش کلی لوگ تقریباً با پیشرفت حسابی با π (4s+2a+2c) به عنوان تلرانس تغییر می کند.

برای بررسی بیشتر تأثیر نوسانات ضخامت صفحات الکترود و دیافراگم ها بر قطر و طول هسته سیم پیچ، سلول گوش استوانه ای بزرگ 4680 الکترود کامل را به عنوان مثال در نظر می گیریم، با فرض اینکه قطر سوزن سیم پیچ 1 میلی متر است، ضخامت نوار بسته شدن 16 میلی متر است، ضخامت فیلم جداسازی 10 میلی متر است، ضخامت فشار سرد صفحه الکترود مثبت 171 میلی متر است، ضخامت در طول سیم پیچی 174 میلی متر است، ضخامت فشار سرد صفحه الکترود منفی 249 میلی متر است، ضخامت در طول سیم پیچی 255 میلی متر است و هر دو صفحه دیافراگم و الکترود منفی برای 2 دور از قبل نورد شده اند. محاسبات نشان می دهد که صفحه الکترود مثبت برای 47 دور با طول 3371.6 میلی متر، الکترود منفی 49.5 بار، با طول 3449.7 میلی متر و قطر 44.69 میلی متر پس از سیم پیچ پیچ می شود.

شکل 5: تأثیر نوسانات ضخامت قطب و دیافراگم بر قطر هسته و طول قطب

از شکل بالا به طور شهودی می توان دریافت که نوسان ضخامت قطعه قطب و دیافراگم تأثیر خاصی بر قطر و طول هسته سیم پیچ دارد. هنگامی که ضخامت قطعه قطب به اندازه 1 میلی متر منحرف می شود، قطر و طول هسته سیم پیچ حدود 0.2٪ افزایش می یابد، در حالی که وقتی ضخامت دیافراگم 1um منحرف می شود، قطر و طول هسته سیم پیچ حدود 0.5٪ افزایش می یابد. بنابراین برای کنترل قوام قطر هسته سیم پیچ باید نوسانات قطعه قطب و دیافراگم را تا حد امکان به حداقل رساند و همچنین لازم است رابطه بین برگشت صفحه الکترود و زمان جمع آوری شود. بین پرس سرد و سیم پیچ، به منظور کمک به فرآیند طراحی سلول.



خلاصه

1. طراحی ظرفیت و طراحی قطر پایین ترین منطق طراحی برای باتری های لیتیومی استوانه ای است. کلید طراحی ظرفیت در طول الکترود نهفته است، در حالی که کلید طراحی قطر در تجزیه و تحلیل تعداد لایه ها نهفته است.
2. ترتیب موقعیت های گوش قطبی نیز بسیار مهم است. برای ساختارهای گوش چند قطبی یا گوش کامل، هم ترازی گوش قطب می تواند به عنوان معیاری برای ارزیابی توانایی طراحی و توانایی کنترل فرآیند سلول باتری استفاده شود. روش تجزیه و تحلیل لایه به لایه بهتر می تواند الزامات آرایش و هم ترازی موقعیت گوش قطب را برآورده کند.