Silindrik batareyaların dirək plitələrinin ölçülərinin dizaynı üçün ümumi həll əlaqəsi

Silindrik batareyaların dirək plitələrinin ölçülərinin dizaynı üçün ümumi həll əlaqəsi

Litium batareyaları qablaşdırma üsullarına və formalarına görə kvadrat, yumşaq paket və silindrik batareyalara təsnif edilə bilər. Onların arasında silindrik akkumulyatorlar yaxşı tutarlılıq, yüksək istehsal səmərəliliyi və aşağı istehsal xərcləri kimi əsas üstünlüklərə malikdir. Onların 1991-ci ildə yarandıqları gündən bəri 30 ildən çox inkişaf tarixi var. Son illərdə Teslanın bütün qütb qulağı texnologiyasının buraxılması ilə böyük silindrik batareyaların enerji batareyaları və enerji saxlama sahələrində tətbiqi sürətlənərək bir araşdırmaya çevrildi. əsas litium batareya şirkətləri üçün qaynar nöqtə.

Şəkil 1: Fərqli Formalara malik Litium Batareyalarının Tək və Sistem Səviyyələrində Performansın Müqayisəsi

Silindrik batareya qabığı polad qabıq, alüminium qabıq və ya yumşaq paket ola bilər. Onun ümumi xüsusiyyəti ondan ibarətdir ki, istehsal prosesi dolama iynəsini əsas kimi istifadə edən və dolama iynəsini təbəqəyə çevirmək və izolyasiya filmini və elektrod plitəsini bir-birinə bükmək üçün idarə edən sarma texnologiyasını qəbul edir və nəticədə nisbətən vahid silindrik dolama nüvəsi əmələ gətirir. Aşağıdakı şəkildə göstərildiyi kimi, tipik bir sarma prosesi belədir: əvvəlcə sarma iynəsi diafraqmanın əvvəlcədən sarılması üçün diafraqmanı sıxır, sonra mənfi elektrod mənfi elektrodun əvvəlcədən sarılması üçün izolyasiya filminin iki təbəqəsi arasına daxil edilir, və sonra yüksək sürətli sarım üçün müsbət elektrod daxil edilir. Sarma tamamlandıqdan sonra kəsici mexanizm elektrodu və diafraqmanı kəsir və nəhayət, formanı düzəltmək üçün sonunda bir yapışan lent təbəqəsi tətbiq olunur.

Şəkil 2: Sarma prosesinin sxematik diaqramı

Dolamadan sonra nüvənin diametrinə nəzarət çox vacibdir. Diametri çox böyükdürsə, onu yığmaq mümkün deyil, diametri çox kiçikdirsə, yer itkisi var. Buna görə də, nüvənin diametrinin dəqiq dizaynı çox vacibdir. Xoşbəxtlikdən, silindrik batareyalar nisbətən müntəzəm həndəsələrdir və hər bir elektrod və diafraqma təbəqəsinin ətrafı bir dairəyə yaxınlaşaraq hesablana bilər. Nəhayət, tutum dizaynını əldə etmək üçün elektrodun ümumi uzunluğu toplana bilər. İğne diametrinin, elektrod təbəqəsinin nömrəsinin və diafraqma təbəqəsinin sayının yığılmış dəyərləri yara nüvəsinin diametridir. Qeyd etmək lazımdır ki, litium-ion batareya dizaynının əsas elementləri tutum dizaynı və ölçü dizaynıdır. Bundan əlavə, nəzəri hesablamalar vasitəsilə biz baş, quyruq və ya mərkəzlə məhdudlaşmayaraq, bobin nüvəsinin istənilən mövqeyində dirək qulağı dizayn edə bilərik, həmçinin silindrik batareyalar üçün çox qütblü qulaq və bütün qütb qulağının dizayn üsullarını əhatə edə bilərik. .

Elektrod uzunluğu və nüvənin diametri məsələlərini araşdırmaq üçün ilk növbədə üç prosesi öyrənməliyik: izolyasiya filminin sonsuz əvvəlcədən sarılması, mənfi elektrodun sonsuz ön sarılması və müsbət elektrodun sonsuz sarılması. Bobin iynəsinin diametrini p fərz etsək, izolyasiya plyonkasının qalınlığı s, mənfi elektrodun qalınlığı a, müsbət elektrodun qalınlığı c, hamısı millimetrdir.

• İzolyasiya membranının sonsuz ön sarğı prosesi

Diafraqmanın əvvəlcədən sarılması zamanı diafraqmanın iki təbəqəsi eyni vaxtda sarılır, buna görə də sarma prosesi zamanı xarici diafraqmanın diametri həmişə daxili diafraqmadan daha bir qalınlıq təbəqəsi (+1s) təşkil edir. Daxili diafraqma sarımının ilkin diametri əvvəlki sarımın son diametridir və diafraqmanın hər bir ön sarğı üçün nüvənin diametri diafraqma qalınlığının dörd qatı ilə artır (+4s).

Əlavə 1: İzolyasiya membranının sonsuz sarğı prosesinin diametrinin dəyişmə qanunu

• Mənfi elektrodun sonsuz ön sarğı prosesi

Mənfi elektrodun əvvəlcədən sarılması prosesində, mənfi elektrod qatının əlavə edilməsi səbəbindən, sarma prosesi zamanı xarici diafraqmanın diametri həmişə daxili diafraqmanın qalınlığından və mənfi elektrodun bir qatından bir qat çoxdur ( +1s+1a) və daxili diafraqma sarımının ilkin diametri həmişə əvvəlki dairənin son diametrinə bərabərdir. Bu zaman mənfi elektrodun hər bir ön sarılması üçün nüvənin diametri dörd diafraqma təbəqəsi və iki qat mənfi elektrod qalınlığı (+4s+2a) ilə artır.

Əlavə 2: Mənfi elektrod plitəsinin sonsuz ön sarğı prosesinin diametrinin dəyişmə qanunu

Müsbət elektrod plitəsinin sonsuz sarğı prosesi

Müsbət elektrodun sarılması prosesində, yeni bir müsbət elektrod qatının əlavə edilməsi ilə əlaqədar olaraq, müsbət elektrodun başlanğıc diametri həmişə əvvəlki dairənin son diametrinə bərabər olur, daxili diafraqma sarımının ilkin diametri olur. əvvəlki dairənin son diametri və müsbət elektrodun bir qatının qalınlığı (+1c). Bununla belə, xarici diafraqmanın sarılması prosesində diametri həmişə daxili diafraqmanın qalınlığından və mənfi elektrodun bir qatından (+1s+1a) yalnız bir qat çoxdur. Bu zaman mənfi elektrod hər dairə üçün əvvəlcədən sarılır, Bobin nüvəsinin diametri 4 qat diafraqma, 2 qat mənfi elektrod və 2 qat müsbət elektrod qalınlığı (+4s+2s+2a) artır.

Əlavə 3: Sonsuz sarma prosesi zamanı müsbət elektrodun diametrinin dəyişmə qanunu

Yuxarıda, diafraqma və elektrod plitəsinin sonsuz sarğı prosesinin təhlili ilə nüvənin diametri və elektrod plitəsinin uzunluğunun dəyişmə nümunəsini əldə etdik. Bu qat-qat analitik hesablama metodu elektrod qulaqlarının (tək qütblü qulaqlar, çoxqütblü qulaqlar və tam qütb qulaqları da daxil olmaqla) mövqeyini dəqiq tənzimləmək üçün əlverişlidir, lakin sarma prosesi hələ başa çatmayıb. Bu nöqtədə müsbət elektrod lövhəsi, mənfi elektrod lövhəsi və izolyasiya filmi yuyulma vəziyyətindədir. Batareyanın dizaynının əsas prinsipi izolyasiya filminin mənfi elektrod lövhəsini tamamilə örtməsini tələb etməkdir və mənfi elektrod da müsbət elektrodu tamamilə örtməlidir.

Şəkil 3: Silindrik akkumulyator rulonunun quruluşu və bağlanma prosesinin sxematik diaqramı

Buna görə də, əsas mənfi elektrodun və izolyasiya filminin sarılması məsələsini daha da araşdırmaq lazımdır. Aydındır ki, müsbət elektrod artıq sarıldığından və bundan əvvəl müsbət elektrodun ilkin diametri həmişə əvvəlki dairənin son diametrinə bərabər olduğundan, daxili təbəqənin diafraqmasının ilkin diametri əvvəlki dairənin son diametrini əvəz edir. . Buna əsaslanaraq, mənfi elektrodun ilkin diametri diafraqmanın bir təbəqəsinin qalınlığını artırır (+1s), Xarici diafraqmanın ilkin diametrini daha bir mənfi elektrod qalınlığının (+1s+1a) qatını artırın.

Əlavə 4: Silindrik akkumulyatorların sarılması zamanı elektrod və diafraqmanın diametri və uzunluğundakı dəyişikliklər

İndiyə qədər istənilən sayda sarım dövrü altında müsbət lövhənin, mənfi lövhənin və izolyasiya filminin uzunluğunun riyazi ifadəsini əldə etdik. Fərz edək ki, diafraqma əvvəlcədən sarılmış m+1 dövrədir, mənfi boşqab əvvəlcədən sarılmışdır n+1 dövrə, müsbət lövhə x+1 dövrə sarılmışdır və mənfi lövhənin mərkəzi bucağı θ °, mərkəzi izolyasiya bucağıdır. filmin sarılması β °-dir, onda aşağıdakı əlaqə var:

Elektrod və diafraqma təbəqələrinin sayının müəyyən edilməsi yalnız elektrod və diafraqmanın uzunluğunu müəyyən etmir, bu da öz növbəsində tutumun dizaynına təsir göstərir, həm də bobin nüvəsinin yığılma riskini xeyli azaldaraq bobin nüvəsinin son diametrini müəyyənləşdirir. Dolamadan sonra nüvənin diametrini əldə etsək də, dirək qulağının və bitən yapışan kağızın qalınlığını nəzərə almadıq. Müsbət qulağın qalınlığının tabc olduğunu fərz etsək, mənfi qulağın qalınlığının taba, son yapışdırıcının isə 1 dairə olduğunu və üst-üstə düşən sahənin g qalınlığı ilə qütb qulağının mövqeyindən yayınmasını təmin edir. Beləliklə, nüvənin son diametri:

Yuxarıdakı düstur silindrik akkumulyator elektrod plitələrinin dizaynı üçün ümumi həll əlaqəsidir. O, elektrod plitəsinin uzunluğu, diafraqma uzunluğu və bobin nüvəsinin diametri problemini müəyyənləşdirir və onların arasındakı əlaqəni kəmiyyətcə təsvir edir, dizayn dəqiqliyini əhəmiyyətli dərəcədə artırır və böyük praktik tətbiq dəyərinə malikdir.

Nəhayət, həll etməmiz lazım olan şey dirək qulaqlarının təşkili problemidir. Adətən, bir dirək parçasının üzərində bir və ya iki dirək qulağı və ya hətta üç dirək qulağı olur ki, bu da az sayda dirək qulaqdır. Nişan qurğusu dirək parçasının səthinə qaynaqlanır. Qütb parçasının uzunluğunun dizaynının düzgünlüyünə müəyyən dərəcədə təsir göstərə bilsə də (diametrə təsir etmədən), nişan qurğusu adətən dardır və az təsir göstərir, Buna görə də silindrik batareyaların ölçü dizaynı üçün ümumi həll formulu bu məqalədə təklif olunur. bu məsələyə məhəl qoymur.

Şəkil 4: Müsbət və Mənfi Qulaq Mövqelərinin Düzəlişi

Yuxarıdakı diaqram dirək qapaqlarının yerləşdirilməsinin sxematik diaqramıdır. Qütb parçası ölçüsünün əvvəllər təklif olunan ümumi əlaqəsinə əsaslanaraq, sarma prosesi zamanı dirək parçalarının hər bir təbəqəsinin uzunluğu və diametrinin dəyişməsini aydın başa düşə bilərik. Buna görə də, dirək qapaqlarını təşkil edərkən, tək dirək qapağı vəziyyətində müsbət və mənfi dirək parçasının hədəf mövqeyində dəqiq şəkildə yerləşdirilə bilər, çoxlu və ya tam dirək qapaqları üçün isə adətən hizalanması tələb olunur. çox qatlı dirək qapaqları, Bu əsasda, hər bir qatın tənzimləmə mövqeyini əldə etmək üçün yalnız hər qatın sabit bucağından yayınmaq lazımdır. Dolama prosesi zamanı dolama nüvəsinin diametri tədricən artdıqca, qapağın ümumi yerləşmə məsafəsi tolerantlıq kimi π (4s+2a+2c) ilə arifmetik irəliləyişlə təxminən dəyişdirilir.

Elektrod plitələrinin və diafraqmalarının qalınlığının dalğalanmalarının rulonun nüvəsinin diametrinə və uzunluğuna təsirini daha da araşdırmaq üçün 4680 böyük silindrik tam elektrod qulaqcığını nümunə kimi götürərək, bobin iynəsinin diametrinin 1 mm olduğunu qəbul edərək, qalınlığı bağlama lenti 16um, izolyasiya filminin qalınlığı 10um, müsbət elektrod boşqabının soyuq presləmə qalınlığı 171um, sarma zamanı qalınlığı 174um, mənfi elektrod boşqabının soyuq presləmə qalınlığı 249um, sarma zamanı qalınlığı 255um-dir və həm diafraqma, həm də mənfi elektrod lövhələri 2 növbə üçün əvvəlcədən yuvarlanır. Hesablama göstərir ki, müsbət elektrod boşqabının uzunluğu 3371,6 mm olan 47 döngə üçün sarılır, mənfi elektrod 49,5 dəfə sarılır, uzunluğu 3449,7 mm və sarımdan sonra diametri 44,69 mm-dir.

Şəkil 5: Qütbün və Diafraqmanın qalınlığının dəyişməsinin nüvənin diametrinə və qütb uzunluğuna təsiri

Yuxarıdakı rəqəmdən intuitiv olaraq görmək olar ki, dirək parçasının və diafraqmanın qalınlığının dəyişməsi bobin nüvəsinin diametrinə və uzunluğuna müəyyən təsir göstərir. Qütb parçasının qalınlığı 1um sapdıqda, bobin nüvəsinin diametri və uzunluğu təqribən 0,2% artır, diafraqmanın qalınlığı 1um sapdıqda isə bobin nüvəsinin diametri və uzunluğu təxminən 0,5% artır. Buna görə də, bobin nüvəsinin diametrinin tutarlılığına nəzarət etmək üçün dirək parçasının və diafraqmanın dalğalanması mümkün qədər minimuma endirilməlidir, həmçinin elektrod plitəsinin geri qayıtması ilə vaxt arasındakı əlaqəni toplamaq lazımdır. hüceyrə dizayn prosesinə kömək etmək üçün soyuq presləmə və sarma arasında.



Xülasə

1. Tutum dizaynı və diametri dizaynı silindrik litium batareyalar üçün ən aşağı səviyyəli dizayn məntiqidir. Tutum dizaynının açarı elektrodun uzunluğundadır, diametr dizaynının açarı isə təbəqələrin sayının təhlilindədir.
2. Qütb qulağı mövqelərinin təşkili də həlledicidir. Çox qütblü qulaq və ya tam qütblü qulaq strukturları üçün qütb qulağının düzülməsi batareya hüceyrəsinin dizayn qabiliyyətini və prosesə nəzarət qabiliyyətini qiymətləndirmək üçün meyar kimi istifadə edilə bilər. Qat-qat analiz üsulu qütb qulağı mövqeyinin təşkili və düzülməsi tələblərinə daha yaxşı cavab verə bilər.