圆柱电池极耳设计优化模型

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圆柱形锂离子电池的制造方法是先将不同的电池层卷绕成圆柱形卷筒，然后将其放进一个金属壳中，由卷绕形成的螺旋结构通常被称为“果冻卷”。特斯拉推出了4680无极耳电池，“无极耳”电池核心设计理念是通过正负极集流体与盖板/壳体直接连接，成倍增大电流传导面积、缩短电流传导距离，从而大幅降低电池内阻，减少发热量延长电池寿命，并提高充放电峰值功率。之前已经分享了一些关于无极耳电池的设计：

圆柱电池极耳设计（点击了解详情）

本文的主要内容：圆柱电池采用极片端面的箔材折叠后与集流盘焊接，而不在卷芯内引入焊接片极耳的主要原因是：箔材留白这种极耳设计避免焊接片造成卷芯内部局部不均匀变形，提高电池循环稳定性；多箔材极耳甚至全箔材极耳，降低集流体内阻，提高倍率性能，减少温升。

大圆柱电池为什么用全极耳设计（点击了解详情）

以21700电池为例，假定在绝热热边界条件下，模拟研究电池极耳的数量和位置对电池热行为的影响。结果表明靠近极耳的电流密度明显更高，因而在靠近极耳的区域会产生更明显的热量。由于极耳的数量和位置不同，在放电短时间内产生了显著的温度梯度。具有更多极耳的电池可减少这种影响并形成更小的温度梯度和平均温升，而且极耳越多越好。由于温度和电流之间的正反馈，随着放电的进行，初始的不均匀性进一步加剧。因此，单极耳的温度和电流密度标准偏差迅速增加并高于其他设计。对于全极耳设计，产热速率比单极耳低两个数量级，从而减轻不均匀性。

本文再分享一个COMSOL官方案例：圆柱电池极耳优化有限元模型

如图1所示，一般圆柱电池螺旋线缠绕成果冻卷，这样也可以建立圆柱电池有限元模型。研究极耳效应时，可以创建一个伪稳态模型，该模型考虑了电子导体和电解质中的欧姆电压损失，以及由于电极中的电荷转移反应引起的激活过电位。在果冻卷的外部区域施加对流冷却条件，冷却热通量与表面温度和外部温度（25°C）的差异成比例，从而计算出电池内部的正负极电势（图2）、电流密度和温度分布（图3）。

图1 用于圆柱形电池的螺旋缠绕果冻卷的横截面

图2 负极（左）和正极（右）集流体中相对于相应极耳的电位

图3 果冻卷中的温度分布

但是，这种果冻卷几何模型如果考虑集流体、两侧涂层和极耳等细节时，建立真正的果冻卷几何形状特别麻烦。而且在一个螺旋几何图形内部添加多个极耳也很困难，模型划分网格复杂，计算量比较大。因此，我们可以在一个展开的果冻卷几何图形上定义相同的模型。这样能够轻松地加入极耳。建立极片展开的模型时，不同的层和极耳被绘制为矩形块。如图4所示，实际电池中，前面（绿色）边界最终将与矩形块堆叠层的后侧接触，为了在数学上将这些在几何上分离的边界连接在一起，COMSOL Multiphysics使用了特殊的耦合边界条件，即非局部耦合。与果冻卷模型一样，原本最外层区域添加冷却边界条件。模拟结果和果冻卷模型非常接近，如图5所示。

图4 螺旋果冻卷展开的几何模型

图5 果冻卷和极片展开模型温度分布吻合

采用极片展开模型，在几何模型中正负极集流体上添加多个极耳，我们可以研究极耳数量和位置对电池的影响。如图6所示，当极耳数量增加时，总电池极化曲线和温度曲线开始快速地接近渐近线。但是，添加 20 多个金属箔极耳不会将电池极化降低到 55 mV以下。剩余的电池极化来源于不受极耳数量影响的其他过程，例如电解质的电阻和电荷转移反应。仅使用一个或两个极耳时，温度会上升到非常高，高温会加速老化，造成安全隐患。