圆柱电池极耳设计
锂离子电池的循环稳定性受到材料、电极和电池水平老化机制的限制。老化机制包括析锂，固体电解质界面生长，以及电极涂层的粘结剂失效等。老化可以通过环境温度控制、充电协议、或电解质添加剂来预防。但是，圆柱形锂离子电池在循环后还存在卷芯内部的机械变形这种老化机制，这种内部的变形通常是不均匀性导致的。
圆柱电池的极耳设计可以改善这种卷芯内部的不均匀和机械变形。一般地，圆柱电池极片涂层间歇涂布，在箔材上留出焊接极耳的区域，焊接极耳之后再贴胶带。此时，焊接的铜或铝极耳片的厚度通常为100-200μm，比箔厚度（铜：≈10-15μm；铝：10-27μm）和电极涂层厚度（≈35-100μm）要高得多，卷芯内部所焊接的比较厚的极耳容易导致卷芯的变形。另外，极耳的位置设计也很关键，会直接影响电流密度分布和温度分布，如果电流密度或温度分布不均匀也会造成电池的老化失效。
图1 (a-c)常规焊接片和 (d，e)箔片作为极耳因此，极耳设计需要考虑这两个方面：（1）卷芯内部不引入比较厚的极耳片，方法就是极片一端留出突出的箔材作为极耳，如图1所示；（2）设计多极耳，极限情况就是全极耳，极片一端箔材全留白作为极耳。下面以21700电池为例说明这两种改善效果。如图2所示，分别设计了焊接极耳：1✕1（1个正极极耳，1个负极极耳）和1✕2（1个正极极耳，2个负极极耳）；箔材极耳：1✕1、1✕2、3✕4和101✕125（101个正极极耳，125个负极极耳，与全极耳差不多）。电池极耳实物图如图3所示。图2 极耳设计：（a）极耳间距的定义，（b）焊接极耳：1✕1和1✕2，（c）箔材极耳：1✕1、1✕2、3✕4和101✕125图4显示了极耳设计对电池阻抗的影响，阻抗绝对和相对变化如图4所示。焊接和箔片极耳中， 1 × 1 极耳设计的阻抗最高。在两者的相同配置下（1 × 1 和 1 × 2），与焊接片相比，箔片极耳显示出更高的阻抗，原因是箔片的横截面积较小。箔片和焊接片之间的这种差异在 1 × 1 设计中最大，但是随着极耳数量增加，这种差异减小。图5显示了极耳设计对C/10至3C范围内倍率放电的影响。采用1×1极耳设计的电池放电容量最低。对于箔（图 5a 中的填充红色圆圈）和焊接片极耳（图 5a 中的填充黑色方块），在 1 × 1的情况下，与焊接片相比，1×1箔片极耳的倍率性能略低，原因很可能是箔片的横截面积较小导致阻抗较高。其他数量的极耳设计（如1 × 2和101 × 125），无论箔片或焊接片极耳，电池都显示出相似的倍率性能。但是，与 1 × 1 设计相比，更多极耳设计的电池倍率有显著提升。图5 极耳设计对电池倍率(a)放电和(b)充电容量的影响图6显示了极耳设计对21700电池的温升行为的影响，图7a，b显示了电池表面和卷芯内部最高温度T和倍率C之间的线性相关性，R2>0.98 。线性拟合斜率Tmax/C是衡量倍率对电池温升影响的参数。图7c中绘制了比率 Tmax/C-rate，用于比较不同的极耳设计。箔片1 × 1 极耳设计的Tmax/C的平均值最高，原因很可能是箔片的横截面积比焊接片低，导致从卷芯到电池外壳的热传递较差。通过增加箔片极耳的数量可以减低最高温度。将101 × 125 箔片极耳与带焊接片的 1 × 1 极耳设计比较，电池温升斜率Tmax/C的降低了 29.2%。图6 （a）电池表面和（b）卷芯内部的最高温度与21700电池的放电倍率C的函数关系。（c） 最高温度与C比值的变化率。彩色和阴影条分别表示电池表面和卷芯内部的最高温度。图7显示了21700电池在环境温度下长期循环实验的比较，相同的极耳数量1 × 2条件下，箔材极耳电池的循环寿命更长。主要原因如图8所示，循环后卷芯内部的 X 射线 CT 测量结果表明焊接极耳的卷芯内部局部变形严重，而箔材极耳卷芯内部变形很小。图7 焊接极耳和箔材极耳设计对电池循环稳定性的影响，SOH与（a）循环周期和（b）充电总容量的曲线关系综上所述，特斯拉4680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的主要原因就是：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。参考文献
[1] Thomas Waldmann, Rares-George Scurtu, Daniel Brändle, andMargret Wohlfahrt-Mehrens, Effects of Tab Design in 21700 Li-Ion Cells: Improvements of Cell Impedance, Rate Capability, and Cycling Aging, Energy Technol.2022, 2200
[2] Thomas Waldmann, Rares-George Scurtu , Daniel Brändle and Margret Wohlfahrt-Mehrens, Increase of Cycling Stability in Pilot-Scale 21700 Format Li-Ion Cells by Foil Tab Design, Processes 2021, 9, 1908
[3] S. Li et al, Optimal cell tab design and cooling strategy for cylindrical lithium-ion batteries, Journal of Power Sources 492 (2021) 229594
[4] X.-Y. Yao, M. G. Pecht, Tab Design and Failures in Cylindrical Li-ion Batteries, IEEE Access, 7(2019)24082 – 24095.
