4680圆柱电池的最佳冷却方式
自从特斯拉发布4680电池以来，各个电池厂家积极开发4680等大圆柱电池。大圆柱电池具有许多优势：（1）可以减少电池组中铜排和控制电路的数量，避免更高的电压降和产热而导致的能量损失，并提高系统可靠性。（2）由于外壳材料和隔膜等非活性组分的比例降低，电池组水平的能量和功率密度可以更高。但是，大圆柱电池的主要问题就是散热问题，如果没有有效的散热，较大的电池内部可能会产生更高的内部温度和更大的热梯度，这会限制电池性能并显著加速老化。电池的散热率受表面体积比和导热系数的影响。对于圆柱电池，由于圆柱几何形状，表面体积比与半径成反比，本质上就很低。而且导热系数具有很强的各向异性，由于正极、负极、隔膜等多层结构，径向方向上的导热系数较低。4680电池直径增加到46mm，与18 mm（18650电池）和21 mm（21700电池）相比，散热具有挑战性。 因此，4680电池极片采用全极耳或无极耳设计，在极片侧边留出不涂布的集流体作为电池的极耳，直接焊接在电池端面的集流盘上。4680电池的连续的全极耳设计能够通过减少发热和增加散热来大圆柱形电池尺寸增加产生的热问题。伦敦帝国理工学院机械工程系创建了一个4680圆柱形电池模型，并使用它来研究不同的热管理方式。结果表明，由于采用全极耳设计，4680 电池的热性能不比 2170 电池差，而 4680的能量和功率是2170 电池 的6.9 倍。最后，该模型证明了4680电池的最佳冷却方法是两端面底座冷却，而对于2170电池是侧面冷却。圆柱电池中，单个极耳和全极耳设计的电池内部结构如图1所示。对于但极耳设计电池，除了极耳之外，果冻卷底部和金属外壳之间的剩余空间都填充了绝缘片以防止短路。由于塑料绝缘片的导热系数比金属外壳和集流体的导热系数低几个数量级，因此极耳成为了从果冻卷底部到外部金属壳的主要散热路径。而对于Tesla 4680电池，负极集流体铜片直接壳体连接，增加大量连接点有望大大减少连接电阻，并且降低散热的瓶颈。图1 （a） 采用单极耳设计的圆柱电池的横截面。电极截面局部放大图，（b） 单极耳设计和 （c） 全极耳设计。（d）2170 LG M50T电池和（e）特斯拉4680电池的负侧极耳模拟计算中，电池的参数如表1所示，2170电池模型参数参照21700 LG M50T实际电池，模型中电极的长度和实际电池有差别，主要是模型通过外壳尺寸限制计算的长度，与实际电池有所不同，4680电池的差别比较大。极耳的设计包括：（1）单个极耳或者两个极耳；
（2）全极耳，集流体连续留白，每圈焊接一个极耳片，最后与电池外电路极柱连接；
（3）无极耳，集流体连续留白，端面折叠，不焊接额外的极耳，直接与端盖连接，与特斯拉4680电池设计一样。
在基础热模型中，，所有电池固定放电电流为1.5C，热边界是所有表面上的对流冷却，环境温度为25°C，传热系数为30 W /(m2 K)，考虑了电极产生的不可逆和可逆（熵）热量，集流体考虑了不可逆的发热，电池产生的总热量为电池所有元素的总和。21700电池的模拟结果如图2所示，对比单个极耳和全极耳的情况，全极耳电池放电电压更高，电池极化更小（图2a）；而且放电过程中平均温度也更低（图2b），最高温度和最低温度的差值更低（图2c）；对比电极、铜箔和铝箔产生的热量，单极耳21700电池集流体产生的热量占比高，而全极耳电池集流体产生的热量几乎可以忽略（图2d）。不同极耳设计的4680电池的热特性结果如图3所示。单极耳4680电池在不同倍率C下的放电容量如图3b，0.1C放电下的容量接近额定容量（27.07Ah），随着C倍率从0.1C增加到1.5C，放电容量显著降低。极片集流体的电流路径如图3c，4680电池的电性能对极耳的数量极其敏感，添加极耳可以通过降低内阻来大大提高性能。与2170电池不同，4680电池必须具有双极耳或全极耳设计。与双极耳设计相比，全极耳可以显著降低集流体产生的热量（图3e）。4680电池的极耳设计考虑全极耳（连续留白，每以卷绕圈焊接一个极耳）和无极耳（连续留白，不焊接极耳留白折叠直接与端盖极柱连接）两种情况，对比了侧面对流(side convection)、侧面传导(side conduction)、顶部/底部对流(top/base convection)和顶部/底部传导(top/base conduction)四种冷却方式，结果如图4所示。传导冷却方案比对流方案显著降低电池平均温度，这是由于通过金属传导而实现的电池与周围环境之间的热传递速率比金属-空气对流边界条件更高（图4a）。侧面传导冷却引起电池两端的最大温差（图4b），虽然顶部/底部对流冷却的温差最低，但是这种方式平均温度最高。4680电池在放电结束时的四种冷却方案下的温度分布如图4c所示，顶部/底部传导冷却是4680无平板电解槽的最佳冷却方案，能够获得较小的平均温度和热梯度。全极耳（连续留白，每以卷绕圈焊接一个极耳）和无极耳（连续留白，不焊接极耳留白折叠直接与端盖极柱连接）设计对电池温升也会有影响，全极耳设计时卷芯和外壳之间一般会加绝缘片，从而影响热量的传递；无极耳设计时，集流体留白折叠直接焊接在集流盘上，增加了散热速率。如图5所示，对于4680全极耳电池，平均温度最高，在放电结束时达到48 °C。相比之下，具有无极耳设计的电池具有显著更低的平均温度，在放电结束时约为35 °C。温度差ΔT （即最大温度Tmax和最小温度Tmin之间的差）,全极耳设计的热梯度是无极耳设计值的两倍。通过冷却顶部和底部，可以进一步降低平均电池温度和温度差。总之，模型模拟结果表明，对于单极耳2170电池，最佳冷却策略是侧面冷却，而对于4680无极耳电池，最佳冷却策略是顶部/底部冷却。但是目前来看，特斯拉采用的冷却方式主要还是侧面冷却。参考文献：
Shen Li, Mohamed Waseem Marzook, Cheng Zhang, Gregory J. Offer, Monica Marinescu,How to enable large format 4680 cylindrical lithium-ion batteries,Applied Energy,Volume 349,2023,121548, https:// doi.org /10.1016 /j.apenergy.2023.121548.
