特斯拉4680圆柱电池为什么设计成无极耳,看这篇文章就知道了

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第一作者:T. G. Tranter
通讯作者:T. G. Tranter,D. J. L. Brett
通讯单位:英国伦敦大学学院,英国法拉第研究所

从热管理角度来看,传统的锂离子电池设计存在局限性。当通过末端的极耳进行电流收集时,圆柱形电池中长的螺旋型或果冻卷型(jelly-roll)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。引入额外的极耳可能会缓减电流分布的不均匀性,但也会导致机械应力,从而加速电池衰减与容量损失。Tesla近期提出了一种尺寸更大的圆柱形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,Tesla提出了一种“无极耳”集流方式,该方法通过使用集流体箔本身(从箔边缘延伸的连续集流体阵列)来实现电流收集。这意味着电池内部的电流分布更加均匀,集流体箔的大部分边缘均维持在相同电位。从理论上讲,该设计可减少电池内部大部分欧姆损耗以及由此产生的大量热量。

本文利用新型电池及不同极耳/无极耳的集流体设计进行仿真,以演示电流分布的不均匀性并预测不同冷却场景下的温度变化。该仿真预测提供了鲜明的对比数据,并证明即使在1C的中等放电倍率下,欧姆损耗对热管理的重要性。该计算框架采用基础物理模型,而非等效电路进行拟合,可为电池设计和未来衰减机理研究提供有价值的见解。该工作以“Communication—Prediction of Thermal Issues for Larger Format 4680 Cylindrical Cells and Their Mitigation with Enhanced Current Collection”为题发表在Journal of The Electrochemical Society。

【研究内容】
采用基于层析成像的计算域研究圆柱形电池中耦合的热电特性。开源软件PyBaMM用于多孔电极理论描述的电化学,使用Doyle,Fuller及Newman(DFN)模型和OpenPNMis用于全局电流和热传输。图1显示了每种集流体设计的计算域,每种研究示例的对流散热边界条件如表I所示。
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图1 (a)标准极耳设计和(b)“无极耳”设计的计算域。蓝色代表负极集流体,红色为正极集流体,绿色代表外壳的热边界

表1每种研究示例的对流散热边界条件
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图2显示了表1中所有研究示例的局部电流密度和温度的变化以及示例A和E的总产热量。采用传统极耳设计的电池以大约1C(17.5 A)的倍率放电时,由于沿集流体长度方向的高欧姆损耗,会导致局部电流密度分布非常宽(图2a)。随着温度的升高,电池电压也存在一定的温度依赖性,从而使电池运行时间延长。集流体中的高欧姆损耗会产生大量热量,如图2e所示。若电池没有主动冷却时,在最坏情况下(环境热损失最小)会导致温度升高,超过室温80℃(图2c)。而采用Tesla提出的无极耳设计时,电流密度分布相对均匀(图2b),沿集流体长度方向的欧姆损耗减少,从而使得电池运行过程中温度仅比环境温度高20,比传统极耳设计低60℃。这种差异主要归因于集流体中的欧姆产热,这对于无极耳设计而言可忽略不计(图2f)。
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图2 电池运行过程中果冻卷芯内部的电流密度和温度分布。(a-d)中不同冷却系数情况下以虚线表示最小/最大值,以实线表示平均值。左侧为标准极耳设计结果,右侧为无极耳设计的结果。对于标准极耳设计(图e)和无极耳设计(图f),显示了示例A和E中各因素对热源的影响

图3和图4显示了无主动冷却和不同极耳设计的情况下(A和E),不同放电阶段瞬时局部电流密度的快照。电池采用传统的极耳设计(案例A)时,可以观察到非常明显的局部热点,且环状热点呈波浪状逐渐移动,像涟漪一样不断扩大。电流密度分布的范围更大(图3),而采用无极耳设计时电池内部电流密度分布相对更均匀(图4)。预计采用传统极耳设计的电池中局部电流热点会导致更高的衰减速率。
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图3 示例A中不同荷电态下电流密度分布的快照
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图4 示例E中不同荷电态下电流密度分布的快照

【结论】
对于尺寸较大的新型4680圆柱形电池,沿果冻卷电芯长度方向的高欧姆损耗会加剧电池内部电流分布的不均匀性,需采用无极耳设计来缓减。当采用传统的极耳设计时,集流体的欧姆损耗导致的热量损失是无极耳设计时的5倍。基于本文仿真结果可知在4680型电池中无极耳设计的优势非常明显。但应注意的是本文仿真模型中不包括集流体箔片边缘与外壳之间的电气连接(是影响制造复杂性和内阻的因素),未来的研究工作中应包含这些影响。本文的建模框架还可扩展至包括沿电池圆柱体高度的3D框架,以便进行不同冷却策略(如底板冷却)下的热仿真。

T. G. Tranter et al, Communication—Prediction of Thermal Issues for Larger Format 4680 Cylindrical Cells and Their Mitigation with Enhanced Current Collection. J. Electrochem. Soc. 2020, DOI:10.1149/1945-7111/abd44f

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参考文献: