大圆柱电池为什么用全极耳设计
温度是影响电池电化学性能、寿命和安全性的关键因素。例如，研究表明，与 30–40 °C 时相比，温度每升高一度，锂离子电池的寿命就会缩短2个月。通常需要使用热管理系统 (TMS) 进行主动冷却，以确保电池组在合适的温度范围内运行。然而，由于传热限制，电池之间和单个电池内仍然存在热梯度，尤其是在剧烈放电或快速充电的时候，这会降低电池的循环容量和使用寿命。具体的原因包括a）材料降解，b) 锂浓度、c) 电流密度、d) 机械应力、e) 微观结构和f）化学反应的不均匀性。
影响电池的整体性能的热因素主要为：a)电池外部热边界条件，由热管理系统决定；b)内部热量的产生和传输，受电池设计的影响。电池内部设计中，极耳的数量和位置对电池热行为具有重要影响。对于圆柱形电池，电极长度会导致电池内部电流和温度分布的不均匀性。同时其自身周围的绝缘性组件会导致电池内核与外表之间的内部温度梯度。综合这些因素还可能导致电池内荷电态、衰减程度等的不均匀性，如图1所示。模拟研究和实验工作均表明，使用更多的极耳会导致更低的温升和热梯度。图1 对流边界条件下1C 放电，放电 1000 秒后（a）温度、（b）电流密度、（c）SoC 和（d）OCV 分布的模拟结果特斯拉提出的尺寸更大的圆柱形4680电池，其外壳直径为46 mm，高度为80 mm。该类电池在能量密度和功率输出方面具有一定优势，但由于卷芯更长，可能会加剧内部电流和温度分布的不均匀性。圆柱直径增加时，由于电池的表面积/体积比降低，可能会导致有效热管理出现问题。为解决这些问题，特斯拉提出了一种“无极耳”集流方式，或者称“全极耳”，该方法通过使用集流体箔本身来实现电流收集，这样电池内部的电流分布更加均匀。以21700电池为例，假定在绝热热边界条件下，模拟研究电池极的数量和位置对电池热行为的影响。结果如图2所示，图2（a）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。图2 (b) 是放电60 秒时电池内部的温度等值线，表明仅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度上升。对于单极耳的电池（Variant-a），放电结束时平均温度达到107.33°C（图2c））。三极耳和全极耳电池在放电结束时的平均温度较低的，分别为 92.02 °C 和 89.76 °C。这两个值都比较接近无电阻的理想集流体的情况，而且极耳越多越好。单极耳（Variant -b）模拟结果表明，极耳的位置也会影响电池平均温度：将极耳移到离极片中心三分之一距离处可使温升降低 5.17%（图2c)。这是因为正极片区域具有最高的温度，与Variant -a相比，Variant-b将这个最高温度点移向电池外部，实现了更有效的散热。图 2(e) 说明了不同极耳设计的电池在放电过程中铝箔、铜箔和电极产生的总热量。与完美的无电阻集流体相比，在单极耳电池中，集流体的电阻会产生少量但不可忽略的热量。由于正极和负极极耳之间的电流路径更长，因此极耳较少的电池的集流体电阻实际上更高。由于集流体尺寸和电导率不同，铝集流体比铜产生更多的热量，导致卷芯在正极的末端表现出更高的温度，如图6 (b) 所示。图2 电池极耳设计对电池性能影响的模型预测。(a) 三种不同设计的卷绕圆柱电池和展开极片示意图：单极耳（Variant-a）、单极耳改变位置变体（Variant-a）和多极耳。展开极片中的线表示电流密度通量，示意性地描述了极耳区域中较高电流密度。(b) 在 1C 放电的前 60 秒，五种不同极耳设计的内部温度分布。整个放电过程：五种极耳设计的(c)平均温度、(d)温度标准偏差和(e)铝箔、铜箔和电极产生的总热量的演变。其中，three tab表示三个极耳，All tab表示全极耳，Perfect CC表示集流体无电阻的理想情况。如图3所示，在 1C 放电 60 秒后，单极耳（Variant -b）和全极耳设计电池在展开极片中的产热速率、局部温度分布、电流密度分布。在单极耳电池中，集流体极耳区域的初始产热速率明显高于集流体其余部分，温度和电流密度分布不均匀。全极耳设计中，1C 放电60 秒后，由于电子传输路径短，较小的局部电阻，温度和电流密度分布更加均匀。图3 在 1C 放电 60 秒后，单极耳（Variant -b）和全极耳设计电池在展开极片中 (a)和 (b)箔的产热速率。靠近极耳的产热速率最高。(a) 单极耳中的峰值比 (b)全极耳高两个数量级。(c)和 (d)局部温度分布。(e)和 (f)电极层的电流密度分布。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。尽管电池核心和电池表面之间存在轻微的温度梯度，但整个电池的温度大多是均匀的。21700电池就存在这种温度、电流密度分布不均匀，通过极耳设计可以优化热分布，降低温度的影响。而4680电池体积更大，散热更困难，而且电池极片更长，全极耳设计更加关键。 著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-09-20
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