علاقة الحل العام لتصميم أبعاد لوحة القطب للبطاريات الأسطوانية

علاقة الحل العام لتصميم أبعاد لوحة القطب للبطاريات الأسطوانية

يمكن تصنيف بطاريات الليثيوم إلى بطاريات مربعة، وبطاريات ناعمة، وبطاريات أسطوانية بناءً على طرق التعبئة والتغليف الخاصة بها وأشكالها. من بينها، تتمتع البطاريات الأسطوانية بمزايا أساسية مثل الاتساق الجيد وكفاءة الإنتاج العالية وتكاليف التصنيع المنخفضة. لديهم تاريخ تطور لأكثر من 30 عامًا منذ إنشائها في عام 1991. في السنوات الأخيرة، مع إطلاق تقنية Tesla's All Pole Ear، تسارع تطبيق البطاريات الأسطوانية الكبيرة في مجالات بطاريات الطاقة وتخزين الطاقة، لتصبح بحثًا. نقطة ساخنة لشركات بطاريات الليثيوم الكبرى.

الشكل 1: مقارنة الأداء على المستوى الفردي ومستوى النظام لبطاريات الليثيوم ذات الأشكال المختلفة

يمكن أن يكون غلاف البطارية الأسطواني عبارة عن غلاف فولاذي، أو غلاف من الألومنيوم، أو غلاف ناعم. السمة المشتركة لها هي أن عملية التصنيع تعتمد تقنية اللف، والتي تستخدم إبرة اللف كنواة وتدفع إبرة اللف للتدوير إلى طبقة ولف فيلم العزل ولوحة القطب معًا، وتشكل في النهاية قلب لف أسطواني موحد نسبيًا. كما هو موضح في الشكل التالي، تكون عملية اللف النموذجية كما يلي: أولاً، تقوم إبرة اللف بتثبيت الحجاب الحاجز لللف المسبق للحجاب الحاجز، ثم يتم إدخال القطب السالب بين طبقتين من فيلم العزل لللف المسبق للقطب السالب، ومن ثم يتم إدخال القطب الموجب لللف عالي السرعة. بعد اكتمال اللف، تقوم آلية القطع بقطع القطب الكهربائي والحجاب الحاجز، وأخيرًا، يتم تطبيق طبقة من الشريط اللاصق في النهاية لتثبيت الشكل.

الشكل 2: رسم تخطيطي لعملية اللف

يعد التحكم في القطر الأساسي بعد اللف أمرًا بالغ الأهمية. إذا كان القطر كبيرًا جدًا، فلا يمكن تجميعه، وإذا كان القطر صغيرًا جدًا، فسيكون هناك إهدار للمساحة. لذلك، التصميم الدقيق للقطر الأساسي أمر بالغ الأهمية. لحسن الحظ، البطاريات الأسطوانية هي أشكال هندسية منتظمة نسبيًا، ويمكن حساب محيط كل طبقة من القطب الكهربائي والحجاب الحاجز عن طريق تقريب الدائرة. وأخيراً، يمكن تجميع الطول الإجمالي للقطب للحصول على تصميم السعة. القيم المتراكمة لقطر الإبرة ورقم طبقة القطب ورقم طبقة الحجاب الحاجز هي قطر قلب الجرح. تجدر الإشارة إلى أن العناصر الأساسية لتصميم بطارية ليثيوم أيون هي تصميم السعة وتصميم الحجم. بالإضافة إلى ذلك، من خلال الحسابات النظرية، يمكننا أيضًا تصميم الأذن القطبية في أي موضع من قلب الملف، ولا يقتصر ذلك على الرأس أو الذيل أو المركز، ونغطي أيضًا طرق تصميم الأذن متعددة الأقطاب وكل الأذن القطبية للبطاريات الأسطوانية .

من أجل استكشاف قضايا طول القطب وقطر القلب، نحتاج أولاً إلى دراسة ثلاث عمليات: اللف المسبق اللانهائي لفيلم العزل، واللف المسبق اللانهائي للقطب السالب، واللف اللانهائي للقطب الموجب. بافتراض أن قطر إبرة الملف هو p، وسمك فيلم العزل هو s، وسمك القطب السالب هو a، وسمك القطب الموجب هو c، كل ذلك بالملليمتر.

• عملية لف مسبقة لا نهائية لغشاء العزل

أثناء عملية اللف المسبق للحجاب الحاجز، يتم لف طبقتين من الأغشية في وقت واحد، وبالتالي فإن قطر الحجاب الحاجز الخارجي أثناء عملية اللف يكون دائمًا طبقة أكثر سمكًا للحجاب الحاجز (+1s) من الحجاب الحاجز الداخلي. القطر الأولي لملف الحجاب الحاجز الداخلي هو القطر النهائي للملف السابق، ولكل ملف مسبق للحجاب الحاجز، يزيد القطر الأساسي بمقدار أربع طبقات من سمك الحجاب الحاجز (+4s).

الملحق 1: قانون اختلاف القطر لعملية اللف المسبق اللانهائية لغشاء العزل

• عملية لف مسبقة لا نهائية للقطب السالب

أثناء عملية اللف المسبق للقطب السالب، بسبب إضافة طبقة من القطب السالب، يكون قطر الحجاب الحاجز الخارجي أثناء عملية اللف دائمًا طبقة واحدة أكثر من سمك الحجاب الحاجز الداخلي وطبقة واحدة من القطب السالب ( +1s+1a)، والقطر الأولي لملف الحجاب الحاجز الداخلي يساوي دائمًا القطر النهائي للدائرة السابقة. في هذا الوقت، لكل لف مسبق للقطب السالب، يزيد القطر الأساسي بمقدار أربع طبقات من الحجاب الحاجز وطبقتين من سمك القطب السالب (+4s+2a).

الملحق 2: قانون اختلاف القطر لعملية اللف المسبق اللانهائية للوحة القطب السالب

عملية لف لا نهائية للوحة القطب الموجب

أثناء عملية لف القطب الموجب، وبسبب إضافة طبقة جديدة من القطب الموجب، يكون القطر الأولي للقطب الموجب مساويًا دائمًا للقطر النهائي للدائرة السابقة، بينما يصبح القطر الأولي لملف الحجاب الحاجز الداخلي القطر النهائي للدائرة السابقة بالإضافة إلى سمك طبقة واحدة من القطب الموجب (+1c). ومع ذلك، أثناء عملية لف الحجاب الحاجز الخارجي، يكون القطر دائمًا طبقة واحدة فقط أكثر من سمك الحجاب الحاجز الداخلي وطبقة واحدة من القطب السالب (+1s+1a). في هذا الوقت، يتم لف القطب السالب مسبقًا لكل دائرة، ويزداد قطر قلب الملف بمقدار 4 طبقات من الحجاب الحاجز، وطبقتين من القطب السالب، وطبقتين من سمك القطب الموجب (+4s+2s+2a).

الملحق 3: قانون اختلاف القطر للقطب الموجب أثناء عملية اللف اللانهائية

أعلاه، من خلال تحليل عملية اللف اللانهائية للحجاب الحاجز ولوحة القطب، حصلنا على نمط الاختلاف للقطر الأساسي وطول لوحة القطب. إن طريقة الحساب التحليلي هذه طبقة تلو الأخرى تساعد على الترتيب الدقيق لموضع آذان القطب الكهربائي (بما في ذلك آذان القطب الواحد، وآذان متعددة الأقطاب، وآذان القطب الكامل)، ولكن عملية اللف لم تنته بعد. عند هذه النقطة، تكون لوحة القطب الموجب ولوحة القطب السالب وفيلم العزل في حالة تدفق. المبدأ الأساسي لتصميم البطارية هو مطالبة فيلم العزل بتغطية لوحة القطب السالب بالكامل ويجب أن يغطي القطب السالب أيضًا القطب الموجب بالكامل.

الشكل 3: رسم تخطيطي لهيكل ملف البطارية الأسطواني وعملية الإغلاق

لذلك، من الضروري مواصلة استكشاف مسألة لف القطب السالب الأساسي وفيلم العزل. من الواضح أنه بما أن القطب الموجب قد تم جرحه بالفعل، وقبل ذلك، فإن القطر الأولي للقطب الموجب يساوي دائمًا القطر النهائي للدائرة السابقة، ويحل القطر الأولي لحجاب الطبقة الداخلية محل القطر النهائي للدائرة السابقة . على هذا الأساس، يزيد القطر الأولي للقطب السالب من سمك طبقة واحدة من الحجاب الحاجز (+1s)، ويزيد القطر الأولي للحجاب الحاجز الخارجي بطبقة أخرى من سمك القطب السالب (+1s+1a).

الملحق 4: الاختلافات في قطر وطول القطب الكهربائي والحجاب الحاجز أثناء عملية لف البطاريات الأسطوانية

لقد حصلنا حتى الآن على التعبير الرياضي لطول اللوحة الموجبة واللوحة السالبة وفيلم العزل تحت أي عدد من دورات اللف. لنفترض أن الحجاب الحاجز ملفوف مسبقًا بعدد دورات m+1، واللوحة السالبة ملفوفة مسبقًا بعدد n+1 دورات، واللوحة الموجبة ملفوفة x+1 دورات، والزاوية المركزية للوحة السالبة هي θ °، وهي الزاوية المركزية للعزل لف الفيلم هو β°، ثم هناك العلاقة التالية:

إن تحديد عدد طبقات القطب الكهربائي والحجاب الحاجز لا يحدد فقط طول القطب الكهربائي والحجاب الحاجز، والذي يؤثر بدوره على تصميم السعة، ولكنه يحدد أيضًا القطر النهائي لقلب الملف، مما يقلل بشكل كبير من خطر تجميع قلب الملف. على الرغم من أننا حصلنا على قطر القلب بعد اللف، إلا أننا لم نأخذ في الاعتبار سمك أذن القطب والورق اللاصق النهائي. بافتراض أن سمك الأذن الموجبة هو tabc، وسمك الأذن السالبة هو taba، والمادة اللاصقة النهائية هي دائرة واحدة والمنطقة المتداخلة تتجنب موضع الأذن القطبية، بسمك g. وبالتالي فإن القطر النهائي للقلب هو:

الصيغة المذكورة أعلاه هي علاقة الحل العامة لتصميم ألواح قطب البطارية الأسطوانية. فهو يحدد مشكلة طول لوحة القطب الكهربائي، وطول الحجاب الحاجز، وقطر قلب الملف، ويصف كميًا العلاقة بينهما، مما يحسن بشكل كبير من دقة التصميم وله قيمة تطبيق عملية كبيرة.

وأخيرا ما نحتاج إلى حله هو مشكلة ترتيب آذان القطب. عادة، هناك أذن واحدة أو اثنتين أو حتى ثلاثة أذنين على قطعة عمود واحدة، وهو عدد صغير من الأذنين القطبية. يتم لحام سلك التبويب على سطح قطعة القطب. على الرغم من أنه قد يؤثر على دقة تصميم طول قطعة القطب إلى حد ما (دون التأثير على القطر)، إلا أن سلك التبويب عادة ما يكون ضيقًا وله تأثير ضئيل، لذلك، فإن صيغة الحل العامة لتصميم حجم البطاريات الأسطوانية المقترحة في هذه المقالة يتجاهل هذه المسألة.

الشكل 4: تخطيط مواضع الأذن الإيجابية والسلبية

الرسم البياني أعلاه هو رسم تخطيطي لوضع عروات القطب. استنادًا إلى العلاقة العامة المقترحة مسبقًا لحجم قطعة القطب، يمكننا أن نفهم بوضوح تغيرات الطول والقطر لكل طبقة من قطع القطب أثناء عملية اللف. لذلك، عند ترتيب العروات القطبية، يمكن ترتيب العروات الموجبة والسالبة بدقة في الموضع المستهدف لقطعة القطب في حالة العروات ذات القطب الواحد، بينما في حالة العروات المتعددة أو الكاملة، عادةً ما يكون مطلوبًا المحاذاة طبقات متعددة من العروات، وعلى هذا الأساس، نحتاج فقط إلى الانحراف عن الزاوية الثابتة لكل طبقة من العروة، وذلك للحصول على موضع الترتيب لكل طبقة من العروة. مع زيادة قطر قلب التعبئة تدريجيًا أثناء عملية التعبئة، تتغير مسافة الترتيب الإجمالية للعروة تقريبًا من خلال التقدم الحسابي مع π (4s+2a+2c) كتفاوت.

من أجل مزيد من التحقيق في تأثير تقلبات سمك لوحات القطب الكهربائي والأغشية على قطر وطول قلب الملف، مع أخذ خلية الأذن ذات القطب الكامل الأسطوانية الكبيرة 4680 كمثال، على افتراض أن قطر إبرة الملف هو 1 مم، وسمك شريط الإغلاق هو 16um، سمك فيلم العزل هو 10um، سمك الضغط البارد للوحة القطب الموجب هو 171um، السمك أثناء اللف هو 174um، سمك الضغط البارد للوحة القطب السالب هو 249um، السمك أثناء اللف هو 255um، ويتم لف كل من ألواح الحجاب الحاجز والقطب السالب مسبقًا لمدة دورتين. يُظهر الحساب أن لوحة القطب الموجب ملفوفة لمدة 47 دورة، بطول 3371.6 مم، ويتم لف القطب السالب 49.5 مرة، بطول 3449.7 مم وقطر 44.69 مم بعد اللف.

الشكل 5: تأثير تقلب سمك القطب والحجاب الحاجز على القطر الأساسي وطول القطب

من الشكل أعلاه، يمكن أن نرى بشكل بديهي أن تقلب سمك قطعة القطب والحجاب الحاجز له تأثير معين على قطر وطول قلب الملف. عندما ينحرف سمك قطعة القطب بمقدار 1um، فإن قطر وطول قلب الملف يزيد بحوالي 0.2%، بينما عندما ينحرف سمك الحجاب الحاجز بمقدار 1um، فإن قطر وطول قلب الملف يزيد بحوالي 0.5%. لذلك، من أجل التحكم في اتساق قطر قلب الملف، يجب تقليل تقلب قطعة القطب والحجاب الحاجز قدر الإمكان، ومن الضروري أيضًا جمع العلاقة بين ارتداد لوحة القطب والوقت بين الضغط على البارد واللف، وذلك للمساعدة في عملية تصميم الخلية.



ملخص

1. تصميم السعة وتصميم القطر هما منطق التصميم الأدنى مستوى لبطاريات الليثيوم الأسطوانية. يكمن مفتاح تصميم السعة في طول القطب، بينما يكمن مفتاح تصميم القطر في تحليل عدد الطبقات.
2. يعد ترتيب مواضع الأذن القطبية أمرًا بالغ الأهمية أيضًا. بالنسبة لهياكل الأذن متعددة الأقطاب أو الأذن ذات القطب الكامل، يمكن استخدام محاذاة الأذن القطبية كمعيار لتقييم قدرة التصميم وقدرة التحكم في العملية لخلية البطارية. يمكن لطريقة تحليل الطبقة تلو الأخرى أن تلبي بشكل أفضل متطلبات ترتيب موضع الأذن القطبية ومواءمتها.