电池设计APP，简单快速设计4680电池，探索电极厚度对性能的影响

之前，利用自己编制的电池设计表格，考察了设计参数和电池型号对性能的影响，包括电极的面密度负载量等。但是这种分析仅仅是理论设计，没有考虑电极活性材料的实际利用率。电极涂层面载荷太高会导致电解液在极片孔隙中浸润不充分，降低锂离子传输速率，造成电极脱嵌锂不均匀，活物质利用不充分，不可逆容量增加，电池的倍率性能也会劣化。因此，我们还可以采用锂离子电池电化学伪二维模型，研究了不同涂层面密度的电池的基本电化学性能。综合电池设计和电化学模拟结果可以优化电极面密度。

利用COMSOL软件可以编制电池设计APP，制作成简单容易使用的电池设计工具。一个示例的电池设计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(点击阅读)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，耗时约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。

图形界面也可以输出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，例如电池电压、正极开率电压，以及正负极产生的焦耳热和反应热与电池温度。    

利用该电池设计APP，修改正极的极片厚度（这里是正极单层涂层的厚度）分别为40、60、80、100、120微米，保持正负极N/P=1.15不变，负极厚度相应变化。对比了4680电池的性能。总体结果如下表所示：             

和之前Excel设计表分析的4680电池结果一致，随着正极面密度增加，正极极片厚度线性增加，由于正负极容量比保持不变，因此随着正极面密度增加，负极面密度同样线性增加。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，电池容量增加了，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。

由于Excel设计表没有考虑锂离子传输速率限制，电极脱嵌锂不均匀，活物质利用不充分等因素，随着电极厚度增加时，电池容量和能量随之增加。而Comsol电池模型根据多孔电极理论进行仿真计算，如下图所示，随着电极厚度增加时，虽然包含恒压充电的充电能量不断增加，但是能量效率不断降低，放电能量呈现先增加后降低的趋势。当正极厚度为175微米（特斯拉4680电池设计值）时，放电能量达到最大值。再继续增加极片厚度后，放电能量反而降低。从充放电曲线可知，随着极片厚度增加，电池极化不断增加，放电平均电压不断降低，电池能量降低。

随着电极厚度增加时，电池容量不断增加，因此电池产热也不断增加，电池最高温度随之增加。2C充放电时，正极174微米的4680电池最高温度可达到70℃以上，与4680拆解论文中实验测得的温度接近。由充放电过程中温度随时间的演变过程可知，电极越厚，温升逐步增加。          

锂离子电池负极析锂可能会诱发热失控，进而导致安全事故。而通过优化电池设计参数能够有效减少析锂副反应的发生，其中电极厚度就是关键参数之一。随着电极厚度增加，负极的最低电位不断降低，从而析锂的容量损失不断增加。

下图是充电结束时刻，在电池基本单元（负极-隔膜-正极）中，电极的荷电状态分布情况，其中x位置坐标采用负极+隔膜+正极的总厚度进行归一化处理。由图可知，图中左侧负极趋势呈现明显的电极SOC分布不均匀，而且电极越厚，这种不均匀性越大。因此，负极表面会出现电位小于0的情况，导致表面析锂，造成容量损失，电极越厚析锂损失越大。    

以上就是利用COMSOL编制的电池设计APP，分析4680电池极片厚度影响的具体结果，由于模型进行了简化和具体参数的准确性限制，模拟结果仅供参考。