4680大圆柱电池设计工具
陆陆续续收集了一些电池设计工具，此外自己也编制了电池设计表。本文分享利用这些工具设计一款4680大圆柱电池的结果。
（1）自己编制的圆柱电池Excell设计表
4680圆柱电池设计表包括正极材料体系、负极材料体系、极片设计、电芯设计、电池材料质量、电池总体信息几个部分，一个电池设计所有信息汇集在一列表格中。该电池设计表根据自己的经验和掌握的信息设计，仅供参考。关于此设计表更详细的说明请阅读。
利用COMSOL软件可以编制电池设计APP，一个电池设计APP界面如下图所示，主要包括参数重置、计算按钮；参数输入界面（电池型号和尺寸、电池电极参数、热参数和充放电载荷参数）、计算结果输出界面以及图形输出界面（SOC-时间图、参数随时间变化的瞬态曲线图以及电极厚度方向的参数分布图）。
选择对应的参数输入界面，分别输入电池型号和尺寸、电池电极参数、热参数和充放电载荷参数，具体如下图表所示。电池类型选择圆柱电池，自定义输入电池直径46mm和高度80mm。电池中体积利用率91%，该参数根据特斯拉4680电池拆解电极的数据进行了调节，使电池容量与拆解电池接近（22.3Ah），最终确定为91%。
电池设计参数如下图所示，该APP中电池模型以负极集流体、负极涂层、隔膜、正极涂层和正极集流体为电池基本单元。因此，集流体厚度设定为实际厚度的一半，正负极极片涂层的厚度也是单侧涂层的厚度。特斯拉4680电池拆解测量正极集流体Al厚度15微米，负极集流体Cu厚度8微米，正极极片厚174.4微米，负极极片厚262微米。
电极参数中，根据特斯拉4680电池拆解信息，选择正极为NMC811正极，正负电极活性材料的体积分数根据特斯拉4680电池拆解测量的极片和集流体厚度数据，假设活性组分比例为95%，依次估算活性材料体积分数和电解液体积分数（即孔隙率），具体数值如下表。其中，正极单面面密度根据拆解信息确定为26.58 mg/cm2，负极单面面密度根据N/P为1.15确定为17.5 mg/cm2，比拆解论文数据略小。但是极片厚度均采用拆解数据，从而计算各相体积分数，正、负极活性材料体积分数分别为68.3%和57.9%。
电池热参数如下表所示，电池密度根据电池质量355g和电池体积计算获得，热容和传热系数参照文献数据。
设定充放电倍率为2C，该电池模型中充放电时间根据倍率计算获得，实际过程中很快达到截止电压，因此，充放电都包含恒压过程。设定电池截止电压为2.7V-4.3V，模型中还考虑了负极析锂和正极产气，当负极电势降到0V以下会发生析锂，正极电势升至4.5V会产气。
设定为参数之后，电极计算按钮，耗时越30s计算完成，计算结果总结界面如下，包括能量、产热、平均功率和正负极电位和析锂产气比例。
和前面的Excel设计表分析的4680电池结果对比，随着正极面密度增加，正极极片厚度线形增加，由于正负极容量比保持不变，因此随着正极面密度增加，负极面密度同样线形增加。由于电池壳体内部空间一定，电极厚度增加时，相应的卷绕圈数减少，因此极片长度减小。随着电极厚度增加，增加了电池容量，但增加幅度不断降低。与Excel设计表的理论容量相比，Comsol电池设计模型中的电池设计容量更低一些，但是两者趋势一致。
（3）电池设计与计算Excel工具CAMS
法拉第研究所开发的电池设计与计算Excel工具CAMS。CAMS能够快速评估不同电池化学组成和电池结构的能量密度。此外，该模型还能作为教学工具，帮助理解电池中不同组成部分是如何影响其能量密度的，以及在实际应用规模上从电极活性材料到电池的能量密度变化。
该EXCEL工具具备模拟工业中广泛使用的四种电池设计的能力，包括圆柱电池（Cylindrical）、软包电池（Pouch）、卷绕方形电池（Prismatic [wound]）和Z型叠片方形电池（Prismatic [Z-stacked]）。除此之外，工作簿还涵盖了五种重要的电池化学体系：锂离子（Li-ion）、钠离子（Na-ion）、锂硫（Li-Sulfur）、全固态电池（All solid-state cells）和混合固态电池（Hybrid solid-state cells）。公 众号后台回复“CAMS”，小编将逐一提供该工具。
CAMS内置了包含40多种广泛使用的电极材料的数据库，以及一个包含200多种商业电池的数据库，提供了将模拟电池的结果与行业产品进行比较的能力。此外，我们还可以在Excel表格中添加新材料，以便在自己的建模工作中使用。CAMS非常灵活性和实用，是一个强大的电池设计与优化工具。
CAMS具体操作过程如下：
计算结果如下：
设计结果与特斯拉电池对比：
以上信息仅供参考。此外，本人还收集了很多电池设计工具，下次再汇总在一起分享给大家。
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