Relação de solução geral para o projeto das dimensões da placa polar de baterias cilíndricas

Relação de solução geral para o projeto das dimensões da placa polar de baterias cilíndricas

As baterias de lítio podem ser classificadas em baterias quadradas, soft pack e cilíndricas com base em seus métodos e formatos de embalagem. Entre elas, as baterias cilíndricas apresentam vantagens essenciais, como boa consistência, alta eficiência de produção e baixos custos de fabricação. Eles têm uma história de desenvolvimento de mais de 30 anos desde seu início em 1991. Nos últimos anos, com o lançamento da tecnologia de ouvido totalmente polar da Tesla, a aplicação de grandes baterias cilíndricas nas áreas de baterias de energia e armazenamento de energia acelerou, tornando-se uma pesquisa ponto de acesso para as principais empresas de baterias de lítio.

Figura 1: Comparação de desempenho nos níveis único e de sistema de baterias de lítio com formatos diferentes

O invólucro da bateria cilíndrica pode ser um invólucro de aço, um invólucro de alumínio ou uma embalagem flexível. Sua característica comum é que o processo de fabricação adota tecnologia de enrolamento, que usa a agulha de enrolamento como núcleo e faz com que a agulha de enrolamento gire para formar uma camada e envolva o filme de isolamento e a placa do eletrodo juntos, formando em última análise um núcleo de enrolamento cilíndrico relativamente uniforme. Conforme mostrado na figura a seguir, um processo de enrolamento típico é o seguinte: primeiro, a agulha de enrolamento prende o diafragma para pré-enrolamento do diafragma, depois o eletrodo negativo é inserido entre duas camadas de filme de isolamento para pré-enrolamento do eletrodo negativo, e então o eletrodo positivo é inserido para enrolamento de alta velocidade. Após a conclusão do enrolamento, o mecanismo de corte corta o eletrodo e o diafragma e, por fim, uma camada de fita adesiva é aplicada na extremidade para fixar o formato.

Figura 2: Diagrama esquemático do processo de enrolamento

O controle do diâmetro do núcleo após o enrolamento é crucial. Se o diâmetro for muito grande não pode ser montado e se o diâmetro for muito pequeno há desperdício de espaço. Portanto, o projeto preciso do diâmetro do núcleo é crucial. Felizmente, as baterias cilíndricas têm geometrias relativamente regulares e a circunferência de cada camada do eletrodo e do diafragma pode ser calculada aproximando-se de um círculo. Finalmente, o comprimento total do eletrodo pode ser acumulado para obter o projeto de capacidade. Os valores acumulados do diâmetro da agulha, número da camada do eletrodo e número da camada do diafragma são o diâmetro do núcleo enrolado. Deve-se notar que os elementos principais do projeto da bateria de íons de lítio são o projeto de capacidade e o tamanho. Além disso, por meio de cálculos teóricos, também podemos projetar a orelha polar em qualquer posição do núcleo da bobina, não limitado à cabeça, cauda ou centro, e também cobrir os métodos de projeto de orelha multipolar e orelha de todos os pólos para baterias cilíndricas .

Para explorar as questões do comprimento do eletrodo e do diâmetro do núcleo, primeiro precisamos estudar três processos: pré-enrolamento infinito do filme de isolamento, pré-enrolamento infinito do eletrodo negativo e enrolamento infinito do eletrodo positivo. Supondo que o diâmetro da agulha da bobina seja p, a espessura do filme de isolamento seja s, a espessura do eletrodo negativo seja a e a espessura do eletrodo positivo seja c, tudo em milímetros.

• Processo de pré-enrolamento infinito da membrana de isolamento

Durante o processo de pré-enrolamento do diafragma, duas camadas de diafragma são enroladas simultaneamente, de modo que o diâmetro do diafragma externo durante o processo de enrolamento é sempre uma camada a mais de espessura do diafragma (+1s) do que o diafragma interno. O diâmetro inicial do enrolamento interno do diafragma é o diâmetro final do enrolamento anterior e, para cada pré-enrolamento do diafragma, o diâmetro do núcleo aumenta em quatro camadas de espessura do diafragma (+4s).

Apêndice 1: Lei de variação do diâmetro do processo de pré-enrolamento infinito da membrana de isolamento

• Processo de pré-enrolamento infinito do eletrodo negativo

Durante o processo de pré-enrolamento do eletrodo negativo, devido à adição de uma camada de eletrodo negativo, o diâmetro do diafragma externo durante o processo de enrolamento é sempre uma camada a mais que a espessura do diafragma interno e uma camada de eletrodo negativo ( +1s+1a), e o diâmetro inicial do enrolamento interno do diafragma é sempre igual ao diâmetro final do círculo anterior. Neste momento, para cada pré-enrolamento do eletrodo negativo, o diâmetro do núcleo aumenta em quatro camadas de diafragma e duas camadas de espessura do eletrodo negativo (+4s+2a).

Apêndice 2: Lei de variação do diâmetro do processo de pré-enrolamento infinito da placa do eletrodo negativo

Processo de enrolamento infinito da placa do eletrodo positivo

Durante o processo de enrolamento do eletrodo positivo, devido à adição de uma nova camada de eletrodo positivo, o diâmetro inicial do eletrodo positivo é sempre igual ao diâmetro final do círculo anterior, enquanto o diâmetro inicial do enrolamento interno do diafragma torna-se o diâmetro final do círculo anterior mais a espessura de uma camada de eletrodo positivo (+1c). Porém, durante o processo de enrolamento do diafragma externo, o diâmetro é sempre apenas uma camada a mais que a espessura do diafragma interno e uma camada de eletrodo negativo (+1s+1a). Neste momento, o eletrodo negativo é pré-enrolado para cada círculo. O diâmetro do núcleo da bobina aumenta em 4 camadas de diafragma, 2 camadas de eletrodo negativo e 2 camadas de espessura do eletrodo positivo (+4s+2s+2a).

Apêndice 3: Lei de variação do diâmetro do eletrodo positivo durante processo de enrolamento infinito

Acima, através da análise do processo de enrolamento infinito do diafragma e da placa do eletrodo, obtivemos o padrão de variação do diâmetro do núcleo e do comprimento da placa do eletrodo. Este método de cálculo analítico camada por camada é propício para organizar com precisão a posição das orelhas do eletrodo (incluindo orelhas unipolares, orelhas multipolares e orelhas polares completas), mas o processo de enrolamento ainda não terminou. Neste ponto, a placa do eletrodo positivo, a placa do eletrodo negativo e o filme de isolamento estão nivelados. O princípio básico do projeto da bateria é exigir que a película de isolamento cubra completamente a placa do eletrodo negativo. E o eletrodo negativo também deve cobrir completamente o eletrodo positivo.

Figura 3: Diagrama esquemático da estrutura da bobina da bateria cilíndrica e processo de fechamento

Portanto, é necessário explorar mais a questão do enrolamento do eletrodo negativo do núcleo e do filme de isolamento. Obviamente, como o eletrodo positivo já foi enrolado, e antes disso, o diâmetro inicial do eletrodo positivo é sempre igual ao diâmetro final do círculo anterior, o diâmetro inicial do diafragma da camada interna substitui o diâmetro final do círculo anterior . Nesta base, o diâmetro inicial do eletrodo negativo aumenta a espessura de uma camada do diafragma (+1s), aumenta o diâmetro inicial do diafragma externo em mais uma camada de espessura do eletrodo negativo (+1s+1a).

Apêndice 4: Variações no diâmetro e comprimento do eletrodo e diafragma durante o processo de enrolamento de baterias cilíndricas

Até agora, obtivemos a expressão matemática do comprimento da placa positiva, da placa negativa e do filme isolante sob qualquer número de ciclos de enrolamento. Suponha que o diafragma seja pré-enrolado em m+1 ciclos, a placa negativa seja pré-enrolada em n+1 ciclos, a placa positiva seja pré-enrolada em x+1 ciclos e o ângulo central da placa negativa seja θ °, o ângulo central de isolamento o enrolamento do filme é β °, então existe a seguinte relação:

A determinação do número de camadas do eletrodo e do diafragma não apenas determina o comprimento do eletrodo e do diafragma, o que por sua vez afeta o projeto da capacidade, mas também determina o diâmetro final do núcleo da bobina, reduzindo significativamente o risco de montagem do núcleo da bobina. Embora tenhamos obtido o diâmetro do núcleo após o enrolamento, não consideramos a espessura da orelha do poste e do papel adesivo final. Supondo que a espessura da orelha positiva seja tabc, a espessura da orelha negativa seja taba, e o adesivo final seja 1 círculo e a área de sobreposição evite a posição da orelha polar, com espessura de g. Portanto, o diâmetro final do núcleo é:

A fórmula acima é a relação de solução geral para o projeto de placas de eletrodos de bateria cilíndrica. Ele determina o problema do comprimento da placa do eletrodo, comprimento do diafragma e diâmetro do núcleo da bobina e descreve quantitativamente a relação entre eles, melhorando muito a precisão do projeto e tendo grande valor de aplicação prática.

Finalmente, o que precisamos resolver é o problema de disposição das orelhas polares. Normalmente, há uma ou duas orelhas polares ou até três orelhas polares em uma peça polar, o que representa um pequeno número de orelhas polares. O cabo da aba é soldado à superfície da peça polar. Embora possa afetar a precisão do projeto do comprimento da peça polar até certo ponto (sem afetar o diâmetro), o cabo da guia é geralmente estreito e tem pouco impacto. Portanto, a fórmula de solução geral para o projeto de tamanho de baterias cilíndricas proposta neste artigo ignora esta questão.

Figura 4: Layout das posições positivas e negativas das orelhas

O diagrama acima é um diagrama esquemático da colocação dos terminais dos pólos. Com base na relação geral proposta anteriormente para o tamanho da peça polar, podemos entender claramente as mudanças no comprimento e no diâmetro de cada camada de peças polares durante o processo de enrolamento. Portanto, ao organizar as alças polares, as alças positivas e negativas podem ser dispostas com precisão na posição alvo da peça polar no caso de uma alça polar única, enquanto que para o caso de alças polares múltiplas ou completas, geralmente é necessário alinhar múltiplas camadas de terminais de pólo. Com base nisso, precisamos apenas desviar do ângulo fixo de cada camada de terminal, de modo a obter a posição de disposição de cada camada de terminal. À medida que o diâmetro do núcleo do enrolamento aumenta gradualmente durante o processo de enrolamento, a distância geral de disposição da orelha é aproximadamente alterada pela progressão aritmética com π (4s+2a+2c) como tolerância.

A fim de investigar melhor a influência das flutuações de espessura das placas de eletrodo e diafragmas no diâmetro e comprimento do núcleo da bobina, tomando como exemplo a célula auricular de eletrodo completo cilíndrico grande 4680, assumindo que o diâmetro da agulha da bobina é de 1 mm, a espessura de a fita de fechamento é 16um, a espessura do filme de isolamento é 10um, a espessura da prensagem a frio da placa do eletrodo positivo é 171um, a espessura durante o enrolamento é 174um, a espessura da prensagem a frio da placa do eletrodo negativo é 249um, a espessura durante o enrolamento é 255um, e tanto o diafragma quanto as placas do eletrodo negativo são pré-laminadas por 2 voltas. O cálculo mostra que a placa do eletrodo positivo é enrolada por 47 voltas, com comprimento de 3.371,6 mm. O eletrodo negativo é enrolado 49,5 vezes, com comprimento de 3.449,7 mm e diâmetro de 44,69 mm após o enrolamento.

Figura 5: A influência da flutuação da espessura do pólo e do diafragma no diâmetro do núcleo e no comprimento do pólo

A partir da figura acima, pode-se ver intuitivamente que a flutuação da espessura da peça polar e do diafragma tem um certo impacto no diâmetro e no comprimento do núcleo da bobina. Quando a espessura da peça polar se desvia em 1um, o diâmetro e o comprimento do núcleo da bobina aumentam em cerca de 0,2%, enquanto quando a espessura do diafragma se desvia em 1um, o diâmetro e o comprimento do núcleo da bobina aumentam em cerca de 0,5%. Portanto, para controlar a consistência do diâmetro do núcleo da bobina, a flutuação da peça polar e do diafragma deve ser minimizada tanto quanto possível, e também é necessário coletar a relação entre o rebote da placa do eletrodo e o tempo entre prensagem a frio e enrolamento, a fim de auxiliar no processo de projeto da célula.



Resumo

1. O projeto de capacidade e o projeto de diâmetro são a lógica de projeto de nível mais baixo para baterias cilíndricas de lítio. A chave para o projeto da capacidade está no comprimento do eletrodo, enquanto a chave para o projeto do diâmetro está na análise do número de camadas.
2. A disposição das posições das orelhas polares também é crucial. Para estruturas de orelha multipolar ou de orelha de pólo completo, o alinhamento da orelha polar pode ser usado como um critério para avaliar a capacidade de projeto e a capacidade de controle do processo da célula da bateria. O método de análise camada por camada pode atender melhor aos requisitos de arranjo e alinhamento da posição da orelha polar.