ความสัมพันธ์ของวิธีแก้ปัญหาทั่วไปสำหรับการออกแบบขนาดแผ่นเสาของแบตเตอรี่ทรงกระบอก

ความสัมพันธ์ของวิธีแก้ปัญหาทั่วไปสำหรับการออกแบบขนาดแผ่นเสาของแบตเตอรี่ทรงกระบอก

แบตเตอรี่ลิเธียมสามารถแบ่งได้เป็นแบตเตอรี่ทรงสี่เหลี่ยม แบตเตอรี่อ่อน และแบตเตอรี่ทรงกระบอก ขึ้นอยู่กับวิธีการและรูปร่างของบรรจุภัณฑ์ แบตเตอรี่ทรงกระบอกมีข้อได้เปรียบหลัก เช่น ความสม่ำเสมอที่ดี ประสิทธิภาพการผลิตสูง และต้นทุนการผลิตต่ำ พวกเขามีประวัติการพัฒนามากว่า 30 ปีนับตั้งแต่ก่อตั้งในปี 1991 ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การเปิดตัวเทคโนโลยีหูฟังแบบโพลเอียร์ของ Tesla ทำให้การประยุกต์ใช้แบตเตอรี่ทรงกระบอกขนาดใหญ่ในด้านแบตเตอรี่พลังงานและการจัดเก็บพลังงานได้เร่งตัวขึ้น กลายเป็นงานวิจัย ฮอตสปอตสำหรับบริษัทแบตเตอรี่ลิเธียมรายใหญ่

รูปที่ 1: การเปรียบเทียบประสิทธิภาพที่ระดับเดี่ยวและระดับระบบของแบตเตอรี่ลิเธียมที่มีรูปร่างต่างกัน

เปลือกแบตเตอรี่ทรงกระบอกอาจเป็นเปลือกเหล็ก เปลือกอะลูมิเนียม หรือบรรจุภัณฑ์แบบอ่อนก็ได้ คุณลักษณะทั่วไปของมันคือกระบวนการผลิตใช้เทคโนโลยีการม้วน ซึ่งใช้เข็มที่ม้วนเป็นแกนกลางและขับเคลื่อนเข็มที่ม้วนเพื่อหมุนเป็นชั้นและห่อฟิล์มแยกและแผ่นอิเล็กโทรดเข้าด้วยกัน ในที่สุดก็กลายเป็นแกนม้วนทรงกระบอกที่ค่อนข้างสม่ำเสมอ ดังที่แสดงในรูปต่อไปนี้ กระบวนการม้วนโดยทั่วไปมีดังนี้: ขั้นแรก เข็มคดเคี้ยวจะจับไดอะแฟรมเพื่อพันล่วงหน้าของไดอะแฟรม จากนั้นอิเล็กโทรดลบจะถูกแทรกระหว่างฟิล์มแยกสองชั้นสำหรับการพันล่วงหน้าของอิเล็กโทรดลบ จากนั้นจึงใส่อิเล็กโทรดบวกสำหรับการพันด้วยความเร็วสูง หลังจากการม้วนเสร็จสิ้น กลไกการตัดจะตัดอิเล็กโทรดและไดอะแฟรม และสุดท้ายก็จะมีการติดเทปกาวที่ส่วนท้ายเพื่อยึดรูปร่าง

รูปที่ 2: แผนผังของกระบวนการม้วน

การควบคุมเส้นผ่านศูนย์กลางของแกนหลังจากการพันเป็นสิ่งสำคัญ ถ้าเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่เกินไปก็ประกอบไม่ได้ และถ้าเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กเกินไปก็จะทำให้เปลืองพื้นที่ ดังนั้นการออกแบบเส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลางที่แม่นยำจึงเป็นสิ่งสำคัญ โชคดีที่แบตเตอรี่ทรงกระบอกมีรูปทรงที่ค่อนข้างสม่ำเสมอ และสามารถคำนวณเส้นรอบวงของแต่ละชั้นของอิเล็กโทรดและไดอะแฟรมได้โดยการประมาณวงกลม สุดท้ายสามารถสะสมความยาวทั้งหมดของอิเล็กโทรดเพื่อให้ได้การออกแบบความจุ ค่าสะสมของเส้นผ่านศูนย์กลางเข็ม หมายเลขชั้นอิเล็กโทรด และหมายเลขชั้นไดอะแฟรม คือ เส้นผ่านศูนย์กลางของแกนแผล ควรสังเกตว่าองค์ประกอบหลักของการออกแบบแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนคือการออกแบบความจุและการออกแบบขนาด นอกจากนี้ จากการคำนวณทางทฤษฎี เรายังสามารถออกแบบ Pole Ear ในตำแหน่งใดก็ได้ของแกนคอยล์ ไม่จำกัดเพียงส่วนหัว หาง หรือตรงกลาง และยังครอบคลุมวิธีการออกแบบ Multi Pole Ear และ Pole Ear ทั้งหมดสำหรับแบตเตอรี่ทรงกระบอก .

เพื่อสำรวจปัญหาเกี่ยวกับความยาวของอิเล็กโทรดและเส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลาง อันดับแรกเราต้องศึกษากระบวนการ 3 กระบวนการ ได้แก่ การพันขดลวดล่วงหน้าแบบไม่สิ้นสุดของฟิล์มแยก การพันล่วงหน้าแบบไม่สิ้นสุดของอิเล็กโทรดเชิงลบ และการพันแบบไม่มีที่สิ้นสุดของอิเล็กโทรดบวก สมมติว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของเข็มคอยล์คือ p ความหนาของฟิล์มแยกคือ s ความหนาของอิเล็กโทรดลบคือ a และความหนาของอิเล็กโทรดบวกคือ c ทั้งหมดมีหน่วยเป็นมิลลิเมตร

• กระบวนการม้วนก่อนม้วนแบบไม่มีที่สิ้นสุดของเมมเบรนแยก

ในระหว่างขั้นตอนการม้วนไดอะแฟรมล่วงหน้า ไดอะแฟรมสองชั้นจะถูกพันพร้อมกัน ดังนั้นเส้นผ่านศูนย์กลางของไดอะแฟรมด้านนอกในระหว่างขั้นตอนการม้วนจะมีความหนาของไดอะแฟรมมากกว่าหนึ่งชั้น (+1 วินาที) มากกว่าไดอะแฟรมด้านในเสมอ เส้นผ่านศูนย์กลางเริ่มต้นของขดลวดไดอะแฟรมด้านในคือเส้นผ่านศูนย์กลางปลายของการม้วนครั้งก่อน และสำหรับการพันขดลวดล่วงหน้าแต่ละครั้งของไดอะแฟรม เส้นผ่านศูนย์กลางแกนจะเพิ่มขึ้นสี่ชั้นของความหนาของไดอะแฟรม (+4 วินาที)

ภาคผนวก 1: กฎการแปรผันของเส้นผ่านศูนย์กลางของกระบวนการม้วนก่อนขดลวดไม่สิ้นสุดของเมมเบรนแยก

• กระบวนการพันล่วงหน้าแบบไม่มีที่สิ้นสุดของอิเล็กโทรดเชิงลบ

ในระหว่างกระบวนการม้วนก่อนของอิเล็กโทรดเชิงลบ เนื่องจากการเพิ่มชั้นของอิเล็กโทรดเชิงลบ เส้นผ่านศูนย์กลางของไดอะแฟรมด้านนอกในระหว่างกระบวนการม้วนมักจะมากกว่าความหนาของไดอะแฟรมด้านในหนึ่งชั้นและอิเล็กโทรดลบหนึ่งชั้นเสมอ ( +1s+1a) และเส้นผ่านศูนย์กลางเริ่มต้นของขดลวดไดอะแฟรมด้านในจะเท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางปลายของวงกลมก่อนหน้าเสมอ ในเวลานี้ สำหรับการพันขดลวดล่วงหน้าของอิเล็กโทรดเชิงลบแต่ละครั้ง เส้นผ่านศูนย์กลางแกนจะเพิ่มขึ้น 4 ชั้นของไดอะแฟรมและความหนาของอิเล็กโทรดลบ 2 ชั้น (+4s+2a)

ภาคผนวก 2: กฎการแปรผันของเส้นผ่านศูนย์กลางของกระบวนการก่อนการม้วนแบบไม่มีที่สิ้นสุดของแผ่นอิเล็กโทรดเชิงลบ

กระบวนการม้วนแบบไม่มีที่สิ้นสุดของแผ่นอิเล็กโทรดขั้วบวก

ในระหว่างกระบวนการม้วนของอิเล็กโทรดบวก เนื่องจากการเพิ่มชั้นใหม่ของอิเล็กโทรดบวก เส้นผ่านศูนย์กลางเริ่มต้นของอิเล็กโทรดบวกจะเท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางปลายของวงกลมก่อนหน้าเสมอ ในขณะที่เส้นผ่านศูนย์กลางเริ่มต้นของขดลวดไดอะแฟรมด้านในกลายเป็น เส้นผ่านศูนย์กลางปลายของวงกลมก่อนหน้าบวกกับความหนาของอิเล็กโทรดบวกหนึ่งชั้น (+1c) อย่างไรก็ตาม ในระหว่างกระบวนการพันของไดอะแฟรมด้านนอก เส้นผ่านศูนย์กลางจะมากกว่าความหนาของไดอะแฟรมด้านในเพียงชั้นเดียวเสมอและมีอิเล็กโทรดเชิงลบหนึ่งชั้น (+1s+1a) ในเวลานี้ อิเล็กโทรดลบจะถูกพันไว้ล่วงหน้าสำหรับแต่ละวงกลม เส้นผ่านศูนย์กลางของแกนคอยล์เพิ่มขึ้น 4 ชั้นของไดอะแฟรม อิเล็กโทรดลบ 2 ชั้น และความหนาของอิเล็กโทรดบวก 2 ชั้น (+4s+2s+2a)

ภาคผนวก 3: กฎการแปรผันของเส้นผ่านศูนย์กลางของอิเล็กโทรดบวกในระหว่างกระบวนการม้วนไม่สิ้นสุด

ข้างต้น จากการวิเคราะห์กระบวนการม้วนแบบไม่มีที่สิ้นสุดของไดอะแฟรมและแผ่นอิเล็กโทรด เราได้รับรูปแบบการเปลี่ยนแปลงของเส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลางและความยาวของแผ่นอิเล็กโทรด วิธีการคำนวณเชิงวิเคราะห์แบบชั้นต่อชั้นนี้เอื้อต่อการจัดตำแหน่งของหูขั้วไฟฟ้าอย่างแม่นยำ (รวมถึงหูขั้วเดี่ยว หูหลายขั้ว และหูขั้วเต็ม) แต่กระบวนการม้วนยังไม่สิ้นสุด ณ จุดนี้ แผ่นอิเล็กโทรดบวก แผ่นอิเล็กโทรดลบ และฟิล์มแยกอยู่ในสถานะฟลัช หลักการพื้นฐานของการออกแบบแบตเตอรี่คือการต้องใช้ฟิล์มแยกเพื่อปิดแผ่นอิเล็กโทรดลบให้หมด และอิเล็กโทรดลบก็ควรปิดอิเล็กโทรดบวกทั้งหมดด้วย

รูปที่ 3: แผนผังของโครงสร้างคอยล์แบตเตอรี่ทรงกระบอกและกระบวนการปิด

ดังนั้นจึงจำเป็นต้องสำรวจเพิ่มเติมเกี่ยวกับการพันอิเล็กโทรดลบหลักและฟิล์มแยก เห็นได้ชัดว่า เนื่องจากอิเล็กโทรดบวกได้รับการพันแล้ว และก่อนหน้านี้ เส้นผ่านศูนย์กลางเริ่มต้นของอิเล็กโทรดบวกจะเท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางปลายของวงกลมก่อนหน้าเสมอ เส้นผ่านศูนย์กลางเริ่มต้นของไดอะแฟรมชั้นในจะแทนที่เส้นผ่านศูนย์กลางปลายของวงกลมก่อนหน้า . บนพื้นฐานนี้ เส้นผ่านศูนย์กลางเริ่มต้นของอิเล็กโทรดลบจะเพิ่มความหนาของไดอะแฟรมหนึ่งชั้น (+1s) เพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางเริ่มต้นของไดอะแฟรมด้านนอกอีกชั้นหนึ่งของความหนาของอิเล็กโทรดลบ (+1s+1a)

ภาคผนวก 4: ความแปรผันของเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวของอิเล็กโทรดและไดอะแฟรมในระหว่างกระบวนการพันของแบตเตอรี่ทรงกระบอก

จนถึงตอนนี้ เราได้รับนิพจน์ทางคณิตศาสตร์ของความยาวของเพลตบวก แผ่นลบ และฟิล์มแยกภายใต้รอบการพันของขดลวดจำนวนเท่าใดก็ได้ สมมติว่าไดอะแฟรมอยู่ก่อนพันรอบ m+1 รอบ แผ่นลบคือก่อนพัน n+1 รอบ แผ่นบวกคือพันรอบ x+1 รอบ และมุมศูนย์กลางของแผ่นลบคือ θ ° มุมศูนย์กลางของการแยก การม้วนฟิล์มคือ β ° ดังนั้นจึงมีความสัมพันธ์ดังต่อไปนี้:

การกำหนดจำนวนชั้นอิเล็กโทรดและไดอะแฟรมไม่เพียงแต่กำหนดความยาวของอิเล็กโทรดและไดอะแฟรม ซึ่งจะส่งผลต่อการออกแบบความจุ แต่ยังกำหนดเส้นผ่านศูนย์กลางสุดท้ายของแกนคอยล์ ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงในการประกอบแกนคอยล์ได้อย่างมาก แม้ว่าเราจะได้เส้นผ่านศูนย์กลางของแกนหลังจากการม้วน แต่เราไม่ได้พิจารณาความหนาของหูเสาและกระดาษกาวปิดท้าย สมมติว่าความหนาของหูขั้วบวกคือ tabc ความหนาของหูขั้วลบคือ taba และกาวปิดท้ายคือ 1 วงกลม และพื้นที่ที่ทับซ้อนกันจะหลีกเลี่ยงตำแหน่งของหูขั้วลบด้วยความหนา g ดังนั้น เส้นผ่านศูนย์กลางสุดท้ายของแกนคือ:

สูตรข้างต้นเป็นความสัมพันธ์ของสารละลายทั่วไปสำหรับการออกแบบแผ่นอิเล็กโทรดแบตเตอรี่ทรงกระบอก โดยจะระบุปัญหาเกี่ยวกับความยาวของแผ่นอิเล็กโทรด ความยาวของไดอะแฟรม และเส้นผ่านศูนย์กลางแกนคอยล์ และอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างสิ่งเหล่านั้นในเชิงปริมาณ ซึ่งช่วยเพิ่มความแม่นยำในการออกแบบอย่างมาก และมีมูลค่าการใช้งานจริงที่ยอดเยี่ยม

สุดท้ายสิ่งที่เราต้องแก้ไขคือปัญหาการจัดหูเสา โดยปกติแล้วจะมีหูเสาหนึ่งหรือสองหูหรือแม้แต่สามหูเสาบนชิ้นเสาเดียวซึ่งเป็นหูเสาจำนวนเล็กน้อย ตะกั่วแท็บถูกเชื่อมเข้ากับพื้นผิวของชิ้นส่วนเสา แม้ว่าอาจส่งผลต่อความแม่นยำของการออกแบบความยาวชิ้นขั้วได้ในระดับหนึ่ง (โดยไม่กระทบต่อเส้นผ่านศูนย์กลาง) แต่ตะกั่วแท็บมักจะแคบและมีผลกระทบเพียงเล็กน้อย ดังนั้น สูตรการแก้ปัญหาทั่วไปสำหรับการออกแบบขนาดของแบตเตอรี่ทรงกระบอกที่เสนอในบทความนี้ ละเว้นปัญหานี้

รูปที่ 4: แผนผังตำแหน่งหูด้านบวกและด้านลบ

แผนภาพด้านบนเป็นแผนผังของการวางตำแหน่งของเสาเชื่อม จากความสัมพันธ์ทั่วไปที่เสนอไว้ก่อนหน้านี้ของขนาดชิ้นเสา เราสามารถเข้าใจการเปลี่ยนแปลงความยาวและเส้นผ่านศูนย์กลางของชิ้นส่วนเสาแต่ละชั้นได้อย่างชัดเจนในระหว่างกระบวนการม้วน ดังนั้น เมื่อจัดตัวดึงขั้วบวกและขั้วลบสามารถจัดตำแหน่งได้อย่างแม่นยำในตำแหน่งเป้าหมายของชิ้นขั้วในกรณีของตัวดึงขั้วเดียว ในขณะที่ในกรณีของตัวดึงขั้วบวกหรือเต็มขั้ว ก็มักจะจำเป็นต้องจัดตำแหน่ง ดึงเสาหลายชั้น บนพื้นฐานนี้ เราเพียงแต่ต้องเบี่ยงเบนจากมุมคงที่ของดึงแต่ละชั้น เพื่อให้ได้ตำแหน่งการจัดเรียงของดึงแต่ละชั้น เนื่องจากเส้นผ่านศูนย์กลางของแกนขดลวดค่อยๆ เพิ่มขึ้นในระหว่างกระบวนการพัน ระยะการจัดเรียงโดยรวมของตัวดึงจะเปลี่ยนไปโดยประมาณตามความก้าวหน้าทางคณิตศาสตร์โดยมี π (4s+2a+2c) เป็นค่าพิกัดความเผื่อ

เพื่อที่จะตรวจสอบอิทธิพลของความผันผวนของความหนาของแผ่นอิเล็กโทรดและไดอะแฟรมต่อเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวของแกนคอยล์ โดยนำเซลล์หูอิเล็กโทรดเต็มทรงกระบอกขนาดใหญ่ 4680 เป็นตัวอย่าง โดยสมมติว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของเข็มคอยล์คือ 1 มม. ความหนาของ เทปปิดคือ 16um ความหนาของฟิล์มแยกคือ 10um ความหนาการกดเย็นของแผ่นอิเล็กโทรดบวกคือ 171um ความหนาระหว่างการม้วนคือ 174um ความหนาการกดเย็นของแผ่นอิเล็กโทรดเชิงลบคือ 249um ความหนาระหว่างการม้วน คือ 255um และทั้งไดอะแฟรมและแผ่นอิเล็กโทรดขั้วลบถูกรีดไว้ล่วงหน้าเป็นเวลา 2 รอบ การคำนวณแสดงให้เห็นว่าแผ่นอิเล็กโทรดบวกถูกพันเป็นเวลา 47 รอบโดยมีความยาว 3371.6 มม. อิเล็กโทรดลบนั้นถูกพัน 49.5 ครั้งโดยมีความยาว 3449.7 มม. และเส้นผ่านศูนย์กลาง 44.69 มม. หลังจากขดลวด

รูปที่ 5: อิทธิพลของความผันผวนของความหนาของเสาและไดอะแฟรมต่อเส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลางและความยาวของเสา

จากรูปด้านบน จะเห็นได้โดยสัญชาตญาณว่าความผันผวนของความหนาของชิ้นขั้วและไดอะแฟรมมีผลกระทบต่อเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวของแกนคอยล์ เมื่อความหนาของชิ้นส่วนเสาเบี่ยงเบนไป 1um เส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวของแกนคอยล์จะเพิ่มขึ้นประมาณ 0.2% ในขณะที่ความหนาของไดอะแฟรมเบี่ยงเบนไป 1um เส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวของแกนคอยล์จะเพิ่มขึ้นประมาณ 0.5% ดังนั้นเพื่อควบคุมความสม่ำเสมอของเส้นผ่านศูนย์กลางของแกนคอยล์ ควรลดความผันผวนของชิ้นขั้วและไดอะแฟรมให้เหลือน้อยที่สุด และยังจำเป็นต้องรวบรวมความสัมพันธ์ระหว่างการดีดตัวของแผ่นอิเล็กโทรดและเวลา ระหว่างการรีดเย็นและการม้วนเพื่อช่วยในกระบวนการออกแบบเซลล์



สรุป

1. การออกแบบความจุและการออกแบบเส้นผ่านศูนย์กลางเป็นตรรกะการออกแบบระดับต่ำสุดสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมทรงกระบอก กุญแจสำคัญในการออกแบบความจุอยู่ที่ความยาวของอิเล็กโทรด ในขณะที่กุญแจสำคัญในการออกแบบเส้นผ่านศูนย์กลางอยู่ที่การวิเคราะห์จำนวนชั้น
2. การจัดตำแหน่งของหูขั้วโลกก็มีความสำคัญเช่นกัน สำหรับโครงสร้างหูแบบหลายขั้วหรือแบบหูเต็มขั้ว การจัดตำแหน่งหูแบบขั้วโลกสามารถใช้เป็นเกณฑ์ในการประเมินความสามารถในการออกแบบและความสามารถในการควบคุมกระบวนการของเซลล์แบตเตอรี่ วิธีการวิเคราะห์แบบชั้นต่อชั้นสามารถตอบสนองความต้องการของการจัดตำแหน่งและการจัดตำแหน่งของหูขั้วโลกได้ดีขึ้น