刀片电池SOC、电流密度和温度的不均匀性
锂离子电池普遍存在不均匀性，固相颗粒之间、电极厚度方向以及电极与电极之间，在几个循环后就会引发电池内的不均匀衰减。电池在充放电过程中，电流沿电池长度方向的不均匀分布会导致锂离子浓度和电位的不均匀性。研究表明，在快速充电条件下，负极表面的充电状态（SOC）可能存在高达10%的差异。在高倍率放电的情况下，负极电位差可达到515 mV。此外，电池内部发热与外部散热的不匹配可能导致电池内部和环境温度场的不均匀性。对于大尺寸的电池，例如刀片电池，由于其结构的特殊性，电流密度、SOC和温度的不均匀分布可能会进一步影响电池在充放电过程中的机械变形。这些不均匀性还可能导致电极表面内压力的不均衡。在充放电过程中，压力、电流密度、温度等物理场的不均匀分布会普遍存在。这些因素共同作用，导致固相和液相中锂离子的浓度和电势分布不均，进而影响电池的功率性能。随着电池尺寸的增加，这些物理场的不均匀分布对电池功率的影响将变得更加显著。 上海理工大学Fei Chen等人对大型商用电池进行了单体电池容量、熵热系数等基础测试，重点研究了大尺寸电池在恒流充放电条件下的非均质性。同时，还对大尺寸电池的非均匀温度分布进行了分析和总结。基于伪二维（P2D）模型，构建了三维热电耦合模型，并在不同温度和充放电倍率下研究了电池的不均匀性。 伪二维 (P2D) 模型
P2D模型可以准确地计算锂离子电池中锂离子的分布状态和动力学过程，从而模拟锂离子电池在不同温度和倍率充电下的电化学特性。电化学控制方程如下：
锂离子电池产热与传热模型
电池的充放电过程伴随着吸热和放热现象，影响电池电位的性能。因此，为了建立更准确的机理模型来表征锂离子电池在不同工作条件下的特性，需要进一步耦合电池的生热和传热方程。
大尺寸锂离子电池性能测试
电池基础性能，如正负极材料之间的平衡电位、正负极材料的理论容量、电池单体熵热系数，以及电解质扩散系数De和电解质离子电导率κe与温度T 和电解锂离子浓度c 的关系等数据通过实验测试获得，模型参数如表2所示。
实验测试采用标称容量为135 Ah的商用方形动力电池，以LiFPO4为正极，石墨为负极。电池的正面和背面共布置了12个热电偶，确保了对电池不同位置温度的全面记录，如图1所示。具体来说，电池正面和背面各安装了9个热电偶。在电池背面，热电偶的布置位置如下：编号2、3、9、10的热电偶靠近电池的正负极极耳区域；编号8、4的热电偶分别位于电池长度的1/4和3/4处；而编号5、6、7的热电偶则位于电池长度的正中，即1/2处。此外，电池正负极极耳中心位置分别安装了编号1和11的热电偶。为了研究温度和倍率对大尺寸电池容量的影响，本节实验包括四种温度和六种充放电倍率条件，每种条件由充电容量测试和放电容量测试组成，均采用恒流（CC）充放电方法，如表1所示。测试电池在各温度下的标准容量，标准容量测试采用1/3C CC-CV工步进行测量。 (1)温度对充放电容量的影响很大，特别是当温度低于0度时，充放电容量均显着降低。相比之下，25℃以上的温度（例如室温）对这种大尺寸电池的容量影响很小。 (2)一般而言，电池容量性能的最佳温度范围在25℃至45℃之间，而充放电倍率的最佳范围在0.2C至1.5C之间。 (3)从图2a、b中可以发现，当低温充电倍率增加时，充电容量减小（图中实心黑色箭头），而当低温放电倍率增加时，放电容量略有增加（图5c、d 中中蓝色实线箭头）。这些结果表明，在设计这种大尺寸电池的低温充电策略时，应优先考虑低倍数慢速充电，并应采用冷却液加热、热管加热和交流加热等常用方法来提高电池温度。 图2 两次测试的大尺寸电池的容量、充电/放电倍率、温度 3D 图。(a,b) 充电容量（第一次/第二次测试）；(c,d) 放电容量（第一次/第二次测试） 模拟结果表明，图3给出了4个充电倍率下充电初始时刻和截止时刻的3D温度分布结果。以25℃的工作条件为基准，电池表面温度在初始充电时刻是均匀的，而截止时刻的温度不均匀性明显。随着充电倍率的增加，充电截止时刻的最大温差从0.5C时的0.4℃增加到2C时的8.8℃，这与实验结果一致。在大于1 C的条件下，充电截止时刻的温度不均匀性在两侧极耳处较高，中部较低，这也与实验测试结果相同。 图3 25℃下0.5 C、1 C、1.5 C、2 C充电三维模型温度分布结果 ，(a,c,e,g)充电初始时刻；(b,d,f,h) 充电截止时刻 通过模型分析了电池在充电截止时刻负极隔膜侧的SOC分布差异，以及锂离子嵌入反应的电流密度分布。结果表明，电极SOC和电流密度的不均匀性是导致温度不均匀性的主要原因。并基于热电耦合模型，提出了电池极耳优化方法和热管理策略。通过增加电池极耳的接触面积和调整电池不同位置的热传递系数，可以有效缓解了电池的温度不均匀性。参考文献：Chen, F.; Zhu, W.; Kong, X.; Huang, Y.; Wang, Y.; Zheng, Y.; Ren, D. Study on the Homogeneity of Large-Size Blade Lithium-Ion Batteries Based on Thermoelectric Coupling Model Simulation. Energies 2022, 15, 9556. https://doi.org/10.3390/en15249556
