Relation générale de solution pour la conception des dimensions des plaques polaires des batteries cylindriques

Relation générale de solution pour la conception des dimensions des plaques polaires des batteries cylindriques

Les batteries au lithium peuvent être classées en batteries carrées, souples et cylindriques en fonction de leurs méthodes et formes d'emballage. Parmi elles, les batteries cylindriques présentent des avantages essentiels tels qu’une bonne cohérence, une efficacité de production élevée et de faibles coûts de fabrication. Leur histoire de développement s'étend sur plus de 30 ans depuis leur création en 1991. Ces dernières années, avec le lancement de la technologie d'oreille tous pôles de Tesla, l'application des grandes batteries cylindriques dans les domaines des batteries de puissance et du stockage d'énergie s'est accélérée, devenant ainsi un domaine de recherche. point chaud pour les grandes entreprises de batteries au lithium.

Figure 1 : Comparaison des performances aux niveaux unique et système de batteries au lithium de différentes formes

La coque de batterie cylindrique peut être une coque en acier, une coque en aluminium ou un emballage souple. Sa caractéristique commune est que le processus de fabrication adopte une technologie d'enroulement, qui utilise l'aiguille d'enroulement comme noyau et entraîne l'aiguille d'enroulement à tourner pour superposer et envelopper le film isolant et la plaque d'électrode ensemble, formant finalement un noyau d'enroulement cylindrique relativement uniforme. Comme le montre la figure suivante, un processus d'enroulement typique est le suivant : d'abord, l'aiguille d'enroulement serre le diaphragme pour le pré-enroulement du diaphragme, puis l'électrode négative est insérée entre deux couches de film isolant pour le pré-enroulement de l'électrode négative. puis l'électrode positive est insérée pour un enroulement à grande vitesse. Une fois l'enroulement terminé, le mécanisme de coupe coupe l'électrode et le diaphragme et enfin, une couche de ruban adhésif est appliquée à l'extrémité pour fixer la forme.

Figure 2 : Diagramme schématique du processus de bobinage

Le contrôle du diamètre du noyau après bobinage est crucial. Si le diamètre est trop grand, il ne peut pas être assemblé, et si le diamètre est trop petit, il y a une perte d'espace. Par conséquent, une conception précise du diamètre du noyau est cruciale. Heureusement, les batteries cylindriques ont des géométries relativement régulières et la circonférence de chaque couche d'électrode et de diaphragme peut être calculée en se rapprochant d'un cercle. Enfin, la longueur totale de l’électrode peut être accumulée pour obtenir la conception de capacité. Les valeurs accumulées du diamètre de l'aiguille, du numéro de couche d'électrode et du numéro de couche de diaphragme correspondent au diamètre du noyau enroulé. Il convient de noter que les éléments fondamentaux de la conception des batteries lithium-ion sont la conception de la capacité et la conception de la taille. De plus, grâce à des calculs théoriques, nous pouvons également concevoir l'oreille polaire à n'importe quelle position du noyau de la bobine, sans se limiter à la tête, à la queue ou au centre, et également couvrir les méthodes de conception de l'oreille multipolaire et de l'oreille tous pôles pour les batteries cylindriques. .

Afin d'explorer les problèmes de longueur d'électrode et de diamètre de noyau, nous devons d'abord étudier trois processus : le pré-enroulement infini du film isolant, le pré-enroulement infini de l'électrode négative et l'enroulement infini de l'électrode positive. En supposant que le diamètre de l'aiguille de la bobine est p, l'épaisseur du film isolant est s, l'épaisseur de l'électrode négative est a et l'épaisseur de l'électrode positive est c, le tout en millimètres.

• Processus de pré-enroulement infini de la membrane d'isolation

Pendant le processus de pré-enroulement du diaphragme, deux couches de diaphragmes sont enroulées simultanément, de sorte que le diamètre du diaphragme externe pendant le processus d'enroulement est toujours une couche d'épaisseur de diaphragme de plus (+1 s) par rapport au diaphragme interne. Le diamètre initial de l'enroulement interne du diaphragme est le diamètre final de l'enroulement précédent, et pour chaque pré-enroulement du diaphragme, le diamètre du noyau augmente de quatre couches d'épaisseur du diaphragme (+4s).

Annexe 1 : Loi de variation du diamètre du processus de pré-enroulement infini de la membrane d'isolation

• Processus de pré-enroulement infini de l'électrode négative

Pendant le processus de pré-enroulement de l'électrode négative, en raison de l'ajout d'une couche d'électrode négative, le diamètre du diaphragme externe pendant le processus d'enroulement est toujours d'une couche de plus que l'épaisseur du diaphragme interne et d'une couche d'électrode négative ( +1s+1a), et le diamètre initial de l'enroulement intérieur du diaphragme est toujours égal au diamètre final du cercle précédent. A ce moment, pour chaque pré-enroulement de l'électrode négative, le diamètre du noyau augmente de quatre couches de diaphragme et de deux couches d'épaisseur d'électrode négative (+4s+2a).

Annexe 2 : Loi de variation de diamètre du processus de pré-enroulement infini de la plaque d'électrode négative

Processus d'enroulement infini de la plaque d'électrode positive

Pendant le processus d'enroulement de l'électrode positive, en raison de l'ajout d'une nouvelle couche d'électrode positive, le diamètre initial de l'électrode positive est toujours égal au diamètre d'extrémité du cercle précédent, tandis que le diamètre initial de l'enroulement du diaphragme interne devient le diamètre d'extrémité du cercle précédent plus l'épaisseur d'une couche d'électrode positive (+1c). Cependant, pendant le processus d'enroulement du diaphragme externe, le diamètre est toujours supérieur d'une couche à l'épaisseur du diaphragme interne et d'une couche d'électrode négative (+1s+1a). À ce stade, l'électrode négative est pré-enroulée pour chaque cercle. Le diamètre du noyau de la bobine augmente de 4 couches de diaphragme, 2 couches d'électrode négative et 2 couches d'épaisseur d'électrode positive (+4s+2s+2a).

Annexe 3 : Loi de variation du diamètre de l'électrode positive lors du processus de bobinage infini

Ci-dessus, grâce à l'analyse du processus d'enroulement infini du diaphragme et de la plaque d'électrode, nous avons obtenu le modèle de variation du diamètre du noyau et de la longueur de la plaque d'électrode. Cette méthode de calcul analytique couche par couche permet d'organiser avec précision la position des oreilles d'électrode (y compris les oreilles unipolaires, les oreilles multipolaires et les oreilles polaires complètes), mais le processus d'enroulement n'est pas encore terminé. À ce stade, la plaque d’électrode positive, la plaque d’électrode négative et le film isolant sont dans un état affleurant. Le principe de base de la conception de la batterie est d'exiger que le film isolant recouvre complètement la plaque d'électrode négative. Et l'électrode négative doit également recouvrir complètement l'électrode positive.

Figure 3 : Diagramme schématique de la structure de la bobine cylindrique de la batterie et du processus de fermeture

Par conséquent, il est nécessaire d’explorer davantage la question de l’enroulement de l’électrode négative centrale et du film isolant. Évidemment, puisque l'électrode positive a déjà été enroulée, et avant cela, le diamètre initial de l'électrode positive est toujours égal au diamètre final du cercle précédent, le diamètre initial de la couche interne du diaphragme remplace le diamètre final du cercle précédent. . Sur cette base, le diamètre initial de l'électrode négative augmente l'épaisseur d'une couche de diaphragme (+1s). Augmentez le diamètre initial du diaphragme externe d'une couche supplémentaire d'épaisseur d'électrode négative (+1s+1a).

Annexe 4 : Variations de diamètre et de longueur de l'électrode et du diaphragme lors du processus d'enroulement des batteries cylindriques

Jusqu'à présent, nous avons obtenu l'expression mathématique de la longueur de la plaque positive, de la plaque négative et du film isolant sous un nombre quelconque de cycles d'enroulement. Supposons que le diaphragme soit pré-enroulé m+1 cycles, que la plaque négative soit pré-enroulée n+1 cycles, que la plaque positive soit enroulée x+1 cycles et que l'angle central de la plaque négative soit θ °, l'angle central d'isolation. l'enroulement du film est β°, alors on a la relation suivante :

La détermination du nombre de couches d'électrodes et de diaphragmes détermine non seulement la longueur de l'électrode et du diaphragme, ce qui affecte à son tour la conception de la capacité, mais détermine également le diamètre final du noyau de la bobine, réduisant ainsi considérablement le risque d'assemblage du noyau de la bobine. Bien que nous ayons obtenu le diamètre du noyau après enroulement, nous n'avons pas pris en compte l'épaisseur de l'oreille du pôle et du papier adhésif final. En supposant que l'épaisseur de l'oreille positive est tabc, l'épaisseur de l'oreille négative est taba, et l'adhésif final est de 1 cercle et la zone de chevauchement évite la position de l'oreille polaire, avec une épaisseur de g. Le diamètre final du noyau est donc :

La formule ci-dessus est la relation de solution générale pour la conception de plaques d'électrodes de batterie cylindriques. Il détermine le problème de la longueur de la plaque d'électrode, de la longueur du diaphragme et du diamètre du noyau de bobine, et décrit quantitativement la relation entre eux, améliorant considérablement la précision de la conception et ayant une grande valeur d'application pratique.

Enfin, ce que nous devons résoudre est le problème de la disposition des oreilles des pôles. Habituellement, il y a une ou deux oreilles polaires, voire trois oreilles polaires sur une pièce polaire, ce qui représente un petit nombre d'oreilles polaires. La patte de connexion est soudée à la surface de la pièce polaire. Bien que cela puisse affecter dans une certaine mesure la précision de la conception de la longueur de la pièce polaire (sans affecter le diamètre), la languette est généralement étroite et a peu d'impact. Par conséquent, la formule de solution générale pour la conception de la taille des batteries cylindriques proposée dans cet article ignore ce problème.

Figure 4 : Disposition des positions des oreilles positives et négatives

Le diagramme ci-dessus est un diagramme schématique de l’emplacement des cosses de poteaux. Sur la base de la relation générale proposée précédemment entre la taille des pièces polaires, nous pouvons clairement comprendre les changements de longueur et de diamètre de chaque couche de pièces polaires au cours du processus d'enroulement. Par conséquent, lors de la disposition des cosses polaires, les cosses positives et négatives peuvent être disposées avec précision à la position cible de la pièce polaire dans le cas d'une cosse polaire unique, tandis que dans le cas de cosses polaires multiples ou complètes, il est généralement nécessaire d'aligner plusieurs couches de cosses de poteaux. Sur cette base, il suffit de s'écarter de l'angle fixe de chaque couche de cosses, de manière à obtenir la position de disposition de chaque couche de cosses. À mesure que le diamètre du noyau d'enroulement augmente progressivement au cours du processus d'enroulement, la distance globale de disposition de la cosse est approximativement modifiée par la progression arithmétique avec π (4s+2a+2c) comme tolérance.

Afin d'étudier plus en détail l'influence des fluctuations d'épaisseur des plaques d'électrodes et des diaphragmes sur le diamètre et la longueur du noyau de la bobine, en prenant comme exemple la grande cellule auriculaire cylindrique à électrode complète 4680, en supposant que le diamètre de l'aiguille de la bobine est de 1 mm, l'épaisseur de le ruban de fermeture est de 16 um, l'épaisseur du film isolant est de 10 um, l'épaisseur de pression à froid de la plaque d'électrode positive est de 171 um, l'épaisseur pendant l'enroulement est de 174 um, l'épaisseur de pression à froid de la plaque d'électrode négative est de 174 um. 249 um, l'épaisseur pendant l'enroulement est de 255 um, et le diaphragme et les plaques d'électrode négative sont pré-roulés sur 2 tours. Le calcul montre que la plaque d'électrode positive est enroulée sur 47 tours, avec une longueur de 3371,6 mm. L'électrode négative est enroulée 49,5 fois, avec une longueur de 3449,7 mm et un diamètre de 44,69 mm après enroulement.

Figure 5 : Influence de la fluctuation de l'épaisseur du pôle et du diaphragme sur le diamètre du noyau et la longueur du pôle

D'après la figure ci-dessus, on peut intuitivement voir que la fluctuation de l'épaisseur de la pièce polaire et du diaphragme a un certain impact sur le diamètre et la longueur du noyau de la bobine. Lorsque l'épaisseur de la pièce polaire dévie de 1 um, le diamètre et la longueur du noyau de la bobine augmentent d'environ 0,2 %, tandis que lorsque l'épaisseur du diaphragme dévie de 1 um, le diamètre et la longueur du noyau de la bobine augmentent d'environ 0,5 %. Par conséquent, afin de contrôler la cohérence du diamètre du noyau de la bobine, la fluctuation de la pièce polaire et du diaphragme doit être minimisée autant que possible. Il est également nécessaire de collecter la relation entre le rebond de la plaque d'électrode et le temps. entre le pressage à froid et le bobinage, afin d'aider au processus de conception des cellules.



Résumé

1. La conception de la capacité et la conception du diamètre constituent la logique de conception de niveau le plus bas pour les batteries cylindriques au lithium. La clé de la conception de la capacité réside dans la longueur de l’électrode, tandis que la clé de la conception du diamètre réside dans l’analyse du nombre de couches.
2. La disposition des positions des oreilles polaires est également cruciale. Pour les structures à oreilles multipolaires ou à oreilles polaires complètes, l'alignement des oreilles des pôles peut être utilisé comme critère pour évaluer la capacité de conception et la capacité de contrôle du processus de la cellule de batterie. La méthode d'analyse couche par couche peut mieux répondre aux exigences de disposition et d'alignement de la position des oreilles des pôles.