Mối quan hệ giải pháp chung cho việc thiết kế kích thước tấm cực của pin hình trụ

Giải pháp chung Mối quan hệ cho việc thiết kế kích thước tấm cực của pin hình trụ

Pin lithium có thể được phân loại thành pin vuông, pin mềm và pin hình trụ dựa trên phương pháp và hình dạng đóng gói của chúng. Trong số đó, pin hình trụ có những ưu điểm cốt lõi như tính nhất quán tốt, hiệu quả sản xuất cao và chi phí sản xuất thấp. Chúng có lịch sử phát triển hơn 30 năm kể từ khi thành lập vào năm 1991. Trong những năm gần đây, với việc cho ra đời công nghệ tai cực của Tesla, việc ứng dụng pin hình trụ lớn trong lĩnh vực pin điện và lưu trữ năng lượng đã tăng tốc, trở thành một lĩnh vực nghiên cứu. điểm nóng cho các công ty pin lithium lớn.

Hình 1: So sánh hiệu suất ở cấp độ đơn lẻ và cấp độ hệ thống của pin lithium có hình dạng khác nhau

Vỏ pin hình trụ có thể là vỏ thép, vỏ nhôm hoặc bao bì mềm. Đặc điểm chung của nó là quy trình sản xuất áp dụng công nghệ cuộn dây, sử dụng kim cuộn dây làm lõi và điều khiển kim cuộn dây quay thành lớp và bọc màng cách ly và tấm điện cực lại với nhau, cuối cùng tạo thành lõi cuộn dây hình trụ tương đối đồng đều. Như thể hiện trong hình dưới đây, quy trình cuộn dây điển hình như sau: đầu tiên, kim cuộn dây kẹp màng ngăn để cuộn dây trước màng ngăn, sau đó điện cực âm được chèn vào giữa hai lớp màng cách ly để cuộn dây trước điện cực âm, và sau đó điện cực dương được lắp vào để cuộn dây tốc độ cao. Sau khi cuộn dây xong, cơ cấu cắt cắt điện cực và màng ngăn, cuối cùng dán một lớp băng dính ở cuối để cố định hình dạng.

Hình 2: Sơ đồ quy trình quấn dây

Việc kiểm soát đường kính lõi sau khi quấn là rất quan trọng. Nếu đường kính quá lớn thì không thể lắp ráp được, còn nếu đường kính quá nhỏ thì sẽ gây lãng phí không gian. Vì vậy, việc thiết kế chính xác đường kính lõi là rất quan trọng. May mắn thay, pin hình trụ có hình dạng tương đối đều đặn và chu vi của mỗi lớp điện cực và màng ngăn có thể được tính bằng cách xấp xỉ một vòng tròn. Cuối cùng, tổng chiều dài của điện cực có thể được tích lũy để đạt được công suất thiết kế. Các giá trị tích lũy của đường kính kim, số lớp điện cực và số lớp màng ngăn là đường kính của lõi vết thương. Cần lưu ý rằng các yếu tố cốt lõi của thiết kế pin lithium-ion là thiết kế dung lượng và thiết kế kích thước. Ngoài ra, qua tính toán lý thuyết, chúng ta còn có thể thiết kế tai cực ở bất kỳ vị trí nào của lõi cuộn dây, không giới hạn ở đầu, đuôi hay tâm, đồng thời cũng bao quát được các phương pháp thiết kế tai nhiều cực và tai toàn cực cho ắc quy hình trụ. .

Để khám phá các vấn đề về chiều dài điện cực và đường kính lõi, trước tiên chúng ta cần nghiên cứu ba quy trình: cuộn dây trước vô hạn của màng cách ly, cuộn dây trước vô hạn của điện cực âm và cuộn dây vô hạn của điện cực dương. Giả sử đường kính của kim cuộn là p, độ dày của màng cách ly là s, độ dày của điện cực âm là a, và độ dày của điện cực dương là c, tất cả tính bằng milimét.

• Quá trình cuộn dây vô hạn của màng cách ly

Trong quá trình cuộn sơ bộ màng ngăn, hai lớp màng được quấn đồng thời nên đường kính của màng ngoài trong quá trình cuộn dây luôn nhiều hơn một lớp có độ dày màng (+1s) so với màng ngăn trong. Đường kính ban đầu của cuộn dây màng bên trong là đường kính cuối của cuộn dây trước đó và đối với mỗi cuộn dây trước của màng ngăn, đường kính lõi tăng thêm bốn lớp có độ dày màng (+4s).

Phụ lục 1: Quy luật biến đổi đường kính của quá trình cuộn sơ bộ vô hạn màng cách ly

• Quá trình cuộn dây trước vô hạn của điện cực âm

Trong quá trình cuộn sơ bộ điện cực âm, do có thêm một lớp điện cực âm nên đường kính của màng ngăn bên ngoài trong quá trình cuộn dây luôn lớn hơn một lớp so với độ dày của màng ngăn bên trong và một lớp điện cực âm ( +1s+1a) và đường kính ban đầu của cuộn dây màng trong luôn bằng đường kính cuối của vòng tròn trước đó. Tại thời điểm này, đối với mỗi cuộn dây trước của điện cực âm, đường kính lõi tăng thêm bốn lớp màng ngăn và hai lớp độ dày điện cực âm (+4s+2a).

Phụ lục 2: Định luật biến đổi đường kính của quá trình cuộn sơ bộ vô hạn tấm điện cực âm

Quá trình cuộn dây vô hạn của tấm điện cực dương

Trong quá trình quấn dây điện cực dương, do có thêm một lớp điện cực dương mới nên đường kính ban đầu của điện cực dương luôn bằng đường kính cuối của vòng tròn trước đó, còn đường kính ban đầu của cuộn dây màng trong trở thành đường kính cuối của vòng tròn trước cộng với độ dày của một lớp điện cực dương (+1c). Tuy nhiên, trong quá trình quấn màng ngoài, đường kính luôn chỉ lớn hơn độ dày của màng trong một lớp và một lớp điện cực âm (+1s+1a). Lúc này, điện cực âm được quấn sẵn cho mỗi vòng tròn, Đường kính lõi cuộn dây tăng thêm 4 lớp màng ngăn, 2 lớp điện cực âm và 2 lớp độ dày điện cực dương (+4s+2s+2a).

Phụ lục 3: Định luật biến thiên đường kính của điện cực dương trong quá trình quấn vô hạn

Ở trên, qua phân tích quá trình cuộn dây vô hạn của màng ngăn và tấm điện cực, chúng ta đã thu được mô hình biến đổi của đường kính lõi và chiều dài tấm điện cực. Phương pháp tính toán phân tích từng lớp này giúp sắp xếp chính xác vị trí của các tai điện cực (bao gồm tai một cực, tai nhiều cực và tai cực đầy đủ), nhưng quá trình cuộn dây vẫn chưa kết thúc. Lúc này, tấm điện cực dương, tấm điện cực âm và màng cách ly ở trạng thái phẳng. Nguyên tắc cơ bản của thiết kế pin là yêu cầu màng cách ly phải che phủ hoàn toàn tấm điện cực âm. Và điện cực âm cũng phải che phủ hoàn toàn điện cực dương.

Hình 3: Sơ đồ cấu trúc cuộn dây pin hình trụ và quá trình đóng

Vì vậy, cần phải tìm hiểu sâu hơn về vấn đề cuộn dây lõi điện cực âm và màng cách ly. Rõ ràng, vì điện cực dương đã được quấn và trước đó, đường kính ban đầu của điện cực dương luôn bằng đường kính cuối của vòng tròn trước, đường kính ban đầu của màng ngăn lớp bên trong sẽ thay thế đường kính cuối của vòng tròn trước đó . Trên cơ sở này, đường kính ban đầu của điện cực âm làm tăng độ dày của một lớp màng ngăn (+1s), Tăng đường kính ban đầu của màng ngăn bên ngoài thêm một lớp độ dày điện cực âm (+1s+1a).

Phụ lục 4: Sự thay đổi đường kính, chiều dài của điện cực và màng ngăn trong quá trình quấn pin hình trụ

Cho đến nay, chúng ta đã thu được biểu thức toán học về chiều dài của tấm dương, tấm âm và màng cách ly theo số chu kỳ cuộn dây bất kỳ. Giả sử màng ngăn được quấn trước m+1 chu kỳ, tấm âm được quấn trước n+1 chu kỳ, tấm dương được quấn x+1 chu kỳ và Góc tâm của tấm âm là θ °, Góc cách ly tâm cuộn phim là β° thì có mối quan hệ sau:

Việc xác định số lượng lớp điện cực và màng ngăn không chỉ xác định chiều dài của điện cực và màng ngăn, từ đó ảnh hưởng đến thiết kế công suất mà còn xác định đường kính cuối cùng của lõi cuộn dây, giúp giảm đáng kể rủi ro lắp ráp lõi cuộn dây. Mặc dù chúng tôi thu được đường kính của lõi sau khi cuộn dây nhưng chúng tôi không tính đến độ dày của tai cột và lớp giấy dính cuối cùng. Giả sử độ dày của tai dương là tabc, độ dày của tai âm là taba, keo dán cuối là 1 vòng tròn và vùng chồng lên nhau tránh vị trí của tai cực, có độ dày là g. Do đó, đường kính cuối cùng của lõi là:

Công thức trên là mối quan hệ giải pháp chung cho việc thiết kế các tấm điện cực pin hình trụ. Nó xác định vấn đề về chiều dài tấm điện cực, chiều dài màng ngăn và đường kính lõi cuộn dây, đồng thời mô tả định lượng mối quan hệ giữa chúng, cải thiện đáng kể độ chính xác của thiết kế và có giá trị ứng dụng thực tế lớn.

Cuối cùng, điều chúng ta cần giải quyết là vấn đề sắp xếp các tai sào. Thông thường, có một hoặc hai tai cực hoặc thậm chí ba tai cực trên một mảnh cực, tức là một số lượng nhỏ tai cực. Đầu tab được hàn vào bề mặt của mảnh cực. Mặc dù nó có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của thiết kế chiều dài đoạn cực ở một mức độ nào đó (không ảnh hưởng đến đường kính), nhưng đầu tab thường hẹp và ít ảnh hưởng. Do đó, công thức giải chung cho thiết kế kích thước pin hình trụ được đề xuất trong bài viết này bỏ qua vấn đề này.

Hình 4: Bố trí vị trí tai dương và âm

Sơ đồ trên là sơ đồ bố trí các vấu cực. Dựa trên mối quan hệ chung được đề xuất trước đây về kích thước mảnh cực, chúng ta có thể hiểu rõ sự thay đổi chiều dài và đường kính của từng lớp mảnh cực trong quá trình quấn dây. Vì vậy, khi bố trí các vấu cực, các vấu dương và vấu âm có thể được bố trí chính xác tại vị trí đích của mảnh cực trong trường hợp vấu cực đơn, còn đối với trường hợp vấu nhiều cực hoặc toàn cực thường phải căn chỉnh. nhiều lớp vấu cực, Trên cơ sở này, chúng ta chỉ cần lệch khỏi góc cố định của từng lớp vấu là có được vị trí sắp xếp của từng lớp vấu. Khi đường kính của lõi cuộn dây tăng dần trong quá trình cuộn dây, khoảng cách bố trí tổng thể của vấu gần như thay đổi theo cấp số cộng với dung sai π (4s+2a+2c).

Để nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của sự dao động độ dày của các tấm điện cực và màng chắn đến đường kính và chiều dài của lõi cuộn dây, lấy tế bào tai điện cực đầy đủ hình trụ lớn 4680 làm ví dụ, giả sử rằng đường kính kim cuộn dây là 1mm, độ dày của băng đóng là 16um, độ dày của màng cách ly là 10um, độ dày ép nguội của tấm điện cực dương là 171um, độ dày trong quá trình cuộn dây là 174um, độ dày ép nguội của tấm điện cực âm là 249um, độ dày trong quá trình cuộn dây là 255um, và cả màng ngăn và tấm điện cực âm đều được cuộn trước trong 2 lượt. Tính toán cho thấy tấm điện cực dương được quấn 47 vòng, dài 3371,6mm, bản điện cực âm được quấn 49,5 vòng, dài 3449,7mm và đường kính sau quấn là 44,69mm.

Hình 5: Ảnh hưởng của biến động độ dày của cực và màng ngăn đến đường kính lõi và chiều dài cực

Từ hình trên có thể thấy trực quan sự dao động độ dày của đoạn cực và màng ngăn có tác động nhất định đến đường kính và chiều dài của lõi cuộn dây. Khi độ dày của mảnh cực lệch 1um, đường kính và chiều dài lõi cuộn dây tăng khoảng 0,2%, trong khi khi độ dày của màng ngăn lệch 1um, đường kính và chiều dài lõi cuộn dây tăng khoảng 0,5%. Vì vậy, để kiểm soát tính nhất quán về đường kính của lõi cuộn dây, cần giảm thiểu sự dao động của mảnh cực và màng ngăn càng nhiều càng tốt, đồng thời cũng cần thu thập mối quan hệ giữa độ bật lại của tấm điện cực và thời gian. giữa ép nguội và cuộn dây, để hỗ trợ quá trình thiết kế tế bào.



Bản tóm tắt

1. Thiết kế công suất và thiết kế đường kính là logic thiết kế cấp thấp nhất cho pin lithium hình trụ. Chìa khóa của thiết kế công suất nằm ở chiều dài của điện cực, trong khi chìa khóa của thiết kế đường kính nằm ở việc phân tích số lớp.
2. Việc bố trí các vị trí tai sào cũng rất quan trọng. Đối với cấu trúc tai nhiều cực hoặc tai cực đầy đủ, việc căn chỉnh tai cực có thể được sử dụng làm tiêu chí để đánh giá khả năng thiết kế và khả năng điều khiển quá trình của pin. Phương pháp phân tích từng lớp có thể đáp ứng tốt hơn các yêu cầu sắp xếp và căn chỉnh vị trí tai cực.