Цилиндрлік аккумуляторлардың полюстік пластинаның өлшемдерін жобалауға арналған жалпы шешім қатынасы

Цилиндрлік аккумуляторлардың полюстік пластинаның өлшемдерін жобалауға арналған жалпы шешім қатынасы

Литий батареяларын орау әдістері мен пішіндеріне қарай шаршы, жұмсақ қаптама және цилиндрлік батареялар деп жіктеуге болады. Олардың ішінде цилиндрлік аккумуляторлар жақсы консистенция, жоғары өндіріс тиімділігі және төмен өндірістік шығындар сияқты негізгі артықшылықтарға ие. Олардың 1991 жылы құрылған күнінен бастап 30 жылдан астам даму тарихы бар. Соңғы жылдары Tesla-ның барлық полюсті құлақ технологиясын шығарумен үлкен цилиндрлік аккумуляторларды қуат батареялары мен энергияны сақтау салаларында қолдану жеделдеді және зерттеуге айналды. ірі литий батареялары компаниялары үшін ыстық нүкте.

1-сурет: Әр түрлі пішіндегі литий батареяларының бір және жүйелі деңгейлеріндегі өнімділікті салыстыру

Цилиндрлік аккумулятор қабығы болат қабық, алюминий қабық немесе жұмсақ қаптама болуы мүмкін. Оның жалпы ерекшелігі - өндіріс процесі орауыш инені өзек ретінде пайдаланатын және орам инесін қабатқа айналдыру және оқшаулау пленкасы мен электрод тақтасын бірге орау үшін жылжытатын орау технологиясын қабылдайды, сайып келгенде, салыстырмалы түрде біркелкі цилиндрлік орама өзегін құрайды. Төмендегі суретте көрсетілгендей, әдеттегі орау процесі келесідей: алдымен орама инесі диафрагманы алдын ала орауға арналған диафрагманы қысады, содан кейін теріс электрод теріс электродты алдын ала орау үшін оқшаулау пленкасының екі қабатының арасына енгізіледі, содан кейін жоғары жылдамдықты орау үшін оң электрод енгізіледі. Орам аяқталғаннан кейін кесу механизмі электрод пен диафрагманы кесіп тастайды, соңында пішінді бекіту үшін жабысқақ таспа қабаты қолданылады.

2-сурет: Орау процесінің схемалық диаграммасы

Орамнан кейін өзек диаметрін бақылау өте маңызды. Диаметрі тым үлкен болса, оны жинау мүмкін емес, ал диаметрі тым аз болса, бос орын жоғалады. Сондықтан өзек диаметрін дәл жобалау өте маңызды. Бақытымызға орай, цилиндрлік аккумуляторлар салыстырмалы түрде қалыпты геометриялар болып табылады және электрод пен диафрагманың әрбір қабатының шеңберін шамамен шеңбер арқылы есептеуге болады. Соңында электродтың жалпы ұзындығын сыйымдылық жобасын алу үшін жинақтауға болады. Ине диаметрінің, электрод қабатының нөмірі мен диафрагма қабатының санының жинақталған мәндері жара өзегінің диаметрі болып табылады. Айта кету керек, литий-ионды батарея дизайнының негізгі элементтері сыйымдылық дизайны мен өлшемді дизайн болып табылады. Сонымен қатар, теориялық есептеулер арқылы біз басымен, құйрығымен немесе ортасымен шектелмей, катушка өзегінің кез келген орнында полюсті құлақты жобалай аламыз, сонымен қатар цилиндрлік батареялар үшін көп полюсті құлақ пен барлық полюсті құлақтың жобалау әдістерін қамти аламыз. .

Электрод ұзындығы мен өзек диаметрі мәселелерін зерттеу үшін алдымен үш процесті зерттеу керек: оқшаулағыш пленканың шексіз алдын ала орамасы, теріс электродтың шексіз алдын ала орамасы және оң электродтың шексіз орамасы. Орам инесінің диаметрін p деп есептесек, оқшаулағыш пленканың қалыңдығы s, теріс электродтың қалыңдығы а, оң электродтың қалыңдығы c, барлығы миллиметрде.

• Оқшаулау мембранасының шексіз алдын-ала орау процесі

Диафрагманың алдын ала орау процесінде екі қабат диафрагма бір уақытта оралады, сондықтан орау процесінде сыртқы диафрагманың диаметрі әрқашан ішкі диафрагмаға қарағанда диафрагма қалыңдығының бір қабаты (+1s) артық болады. Ішкі диафрагма орамасының бастапқы диаметрі алдыңғы орамның соңғы диаметрі болып табылады және диафрагманың әрбір алдын ала орамасы үшін өзек диаметрі диафрагма қалыңдығының төрт қабатына артады (+4s).

1-қосымша: Оқшаулағыш мембрананың орама алдындағы шексіз процесінің диаметрінің өзгеру заңы

• Теріс электродты орау алдындағы шексіз процесс

Теріс электродты алдын ала орау процесінде теріс электрод қабатының қосылуына байланысты орау процесі кезінде сыртқы диафрагманың диаметрі әрқашан ішкі диафрагманың қалыңдығынан және теріс электродтың бір қабатынан бір қабат артық болады ( +1s+1a), ал ішкі диафрагма орамасының бастапқы диаметрі әрқашан алдыңғы шеңбердің соңғы диаметріне тең. Бұл кезде теріс электродтың әрбір алдын ала орамасы үшін өзек диаметрі диафрагманың төрт қабатына және теріс электрод қалыңдығының екі қабатына (+4s+2a) артады.

2-қосымша: Теріс электрод пластинасының шексіз алдын ала орау процесінің диаметрінің өзгеру заңы

Оң электрод пластинасының шексіз орау процесі

Оң электродты орау процесінде жаңа оң электрод қабатының қосылуына байланысты оң электродтың бастапқы диаметрі әрқашан алдыңғы шеңбердің соңғы диаметріне тең болады, ал ішкі диафрагма орамасының бастапқы диаметрі өзгереді. алдыңғы шеңбердің соңғы диаметрі плюс оң электродтың бір қабатының қалыңдығы (+1c). Дегенмен, сыртқы диафрагманы орау процесі кезінде диаметрі әрқашан ішкі диафрагманың қалыңдығынан және теріс электродтың бір қабатынан (+1s+1a) тек бір қабат артық болады. Бұл кезде теріс электрод әрбір шеңбер үшін алдын ала оралған. Орам өзегінің диаметрі диафрагманың 4 қабатына, теріс электродтың 2 қабатына және оң электрод қалыңдығының 2 қабатына (+4s+2s+2a) артады.

3-қосымша: Шексіз орау процесінде оң электродтың диаметрінің өзгеру заңы

Жоғарыда диафрагма мен электрод пластинасын шексіз орау процесін талдау арқылы біз өзек диаметрі мен электрод пластинасының ұзындығының вариациялық үлгісін алдық. Бұл қабат-қабат аналитикалық есептеу әдісі электрод құлақтарының (оның ішінде бір полюсті құлақтарды, көп полюсті құлақтарды және толық полюсті құлақтарды) орнын дәл реттеуге қолайлы, бірақ орау процесі әлі аяқталған жоқ. Бұл кезде оң электрод тақтасы, теріс электрод тақтасы және оқшаулау пленкасы жуу күйінде болады. Батарея дизайнының негізгі принципі оқшаулау пленкасының теріс электрод тақтасын толығымен жабуын талап етеді, ал теріс электрод оң электродты толығымен жабуы керек.

3-сурет: Цилиндрлік аккумуляторлық катушкалардың құрылымы мен жабу процесінің схемалық диаграммасы

Сондықтан өзек теріс электродты және оқшаулау пленкасын орау мәселесін одан әрі зерттеу қажет. Әлбетте, оң электрод әлдеқашан оралғандықтан және оған дейін оң электродтың бастапқы диаметрі әрқашан алдыңғы шеңбердің соңғы диаметріне тең болғандықтан, ішкі қабат диафрагмасының бастапқы диаметрі алдыңғы шеңбердің соңғы диаметрін ауыстырады. . Осы негізде теріс электродтың бастапқы диаметрі диафрагманың бір қабатының қалыңдығын арттырады (+1s), Сыртқы диафрагманың бастапқы диаметрін теріс электрод қалыңдығының тағы бір қабатына ұлғайтады (+1s+1a).

4-қосымша: Цилиндрлік аккумуляторларды орау процесінде электрод пен диафрагманың диаметрі мен ұзындығының өзгеруі

Осы уақытқа дейін біз орам циклдерінің кез келген саны кезінде оң пластинаның, теріс пластинаның және оқшаулау пленкасының ұзындығының математикалық өрнегін алдық. Диафрагма алдын ала оралған m+1 цикл, теріс пластина n+1 цикл алдын ала оралған, оң пластина x+1 цикл оралған, ал теріс пластинаның орталық бұрышы θ °, оқшаулаудың орталық бұрышы делік. пленка орамасы β ° болса, онда келесі қатынас болады:

Электрод пен диафрагма қабаттарының санын анықтау электрод пен диафрагманың ұзындығын анықтап қана қоймайды, бұл өз кезегінде сыйымдылық дизайнына әсер етеді, сонымен қатар катушка өзегінің соңғы диаметрін анықтайды, катушка өзегін құрастыру қаупін айтарлықтай төмендетеді. Біз ораудан кейін өзек диаметрін алғанымызға қарамастан, біз полюстің құлағының қалыңдығын және аяқталатын жабысқақ қағазды ескермедік. Оң құлақтың қалыңдығы tabc болса, теріс құлақтың қалыңдығы taba, ал аяқталатын желім 1 шеңбер және қабаттасатын аймақ полюсті құлақтың қалындығын болдырмайды, қалыңдығы g. Демек, өзегінің соңғы диаметрі:

Жоғарыда келтірілген формула цилиндрлік аккумулятор электродтарының пластиналарының конструкциясы үшін жалпы шешім қатынасы болып табылады. Ол электрод тақтасының ұзындығы, диафрагма ұзындығы және катушка өзегі диаметрі мәселесін анықтайды және олардың арасындағы байланысты сандық түрде сипаттайды, дизайн дәлдігін айтарлықтай жақсартады және үлкен практикалық қолдану мәніне ие.

Ақырында, біз шешуіміз керек нәрсе - тірек құлақтарын орналастыру мәселесі. Әдетте, бір сырық бөлігінде бір немесе екі сырық құлақ немесе тіпті үш сырық құлақ болады, бұл сырық құлақтардың аз саны. Тірек сымы тірек бөлігінің бетіне дәнекерленген. Ол белгілі бір дәрежеде (диаметріне әсер етпей) полюс бөлігінің ұзындығының дизайнының дәлдігіне әсер етуі мүмкін болса да, ілгек сымы әдетте тар және аз әсер етеді, Сондықтан цилиндрлік батареялардың өлшем дизайнына арналған жалпы шешім формуласы осы мақалада ұсынылған. бұл мәселені елемейді.

4-сурет: Оң және теріс құлақ позицияларының орналасуы

Жоғарыда келтірілген сызба тірек құлақшаларын орналастырудың принципиалды схемасы болып табылады. Бұрын ұсынылған полюс бөліктерінің өлшемдерінің жалпы байланысына сүйене отырып, орау процесінде полюс бөліктерінің әрбір қабатының ұзындығы мен диаметрінің өзгеруін анық түсіне аламыз. Сондықтан, полюсті құлақшаларды орналастырған кезде оң және теріс құлақшаларды бір полюсті құлақша жағдайында тірек бөлігінің мақсатты орнында дәл орналастыруға болады, ал бірнеше немесе толық полюсті құлақшалар үшін әдетте туралау қажет. полюсті құлақшалардың бірнеше қабаттары, Осы негізде біз құлақшаның әрбір қабатының орналасу орнын алу үшін тек қана әр қабаттың бекітілген бұрышынан ауытқуымыз керек. Орамның өзегінің диаметрі орау процесінде бірте-бірте ұлғайғандықтан, құлақшаның жалпы орналасу қашықтығы рұқсат етілгендік ретінде π (4s+2a+2c) арифметикалық прогрессиямен шамамен өзгереді.

Электрод пластиналарының және диафрагмалардың қалыңдығының ауытқуының катушка өзегінің диаметрі мен ұзындығына әсерін әрі қарай зерттеу үшін 4680 үлкен цилиндрлік толық электродты құлақ ұяшығын мысалға ала отырып, катушка инесінің диаметрі 1 мм болса, оның қалыңдығы жабу таспасы 16um, оқшаулау пленкасының қалыңдығы 10um, оң электрод пластинасының суық престеу қалыңдығы 171um, орау кезінде қалыңдығы 174um, теріс электрод пластинасының суық престеу қалыңдығы 249um, орау кезінде қалыңдығы. 255um құрайды, диафрагма да, теріс электрод табақшалары да 2 айналымға алдын ала оралған. Есептеу көрсеткендей, оң электрод пластинасы 47 айналымға оралған, ұзындығы 3371,6 мм, теріс электрод 49,5 рет оралған, ұзындығы 3449,7 мм және орамадан кейін диаметрі 44,69 мм.

5-сурет: Полюс пен диафрагма қалыңдығының ауытқуының өзек диаметрі мен полюс ұзындығына әсері

Жоғарыда келтірілген суреттен полюс бөлігі мен диафрагма қалыңдығының ауытқуы катушка өзегінің диаметрі мен ұзындығына белгілі бір әсер ететінін интуитивті түрде көруге болады. Полюс бөлігінің қалыңдығы 1um ауытқыған кезде катушка өзегінің диаметрі мен ұзындығы шамамен 0,2% артады, ал диафрагма қалыңдығы 1um ауытқыған кезде катушка өзегінің диаметрі мен ұзындығы шамамен 0,5% артады. Сондықтан, катушка өзегінің диаметрінің консистенциясын бақылау үшін полюс бөлігінің және диафрагманың ауытқуын мүмкіндігінше азайту керек, сонымен қатар электрод пластинасының көтерілуі мен уақыт арасындағы қатынасты жинау қажет. ұяшықты жобалау процесіне көмектесу үшін суық сығымдау мен орау арасында.



Түйіндеме

1. Сыйымдылықтың дизайны мен диаметрінің дизайны цилиндрлік литий батареялары үшін ең төменгі деңгейдегі дизайн логикасы болып табылады. Сыйымдылықты жобалаудың кілті электродтың ұзындығында, ал диаметрлік дизайнның кілті қабаттар санын талдауда жатыр.
2. Полярлы құлақтың орналасуы да өте маңызды. Көп полюсті құлақ немесе толық полюсті құлақ құрылымдары үшін полюсті құлаққапты теңестіру аккумулятор ұяшығының дизайн қабілеті мен процесті басқару қабілетін бағалау критерийі ретінде пайдаланылуы мүмкін. Қабат бойынша қабат талдау әдісі полюстің құлақ күйін орналастыру және туралау талаптарына жақсырақ жауап бере алады.