如何優(yōu)化圓柱形電池的極耳設(shè)計(jì)

大家好，小科來為大家解答以上問題。如何優(yōu)化圓柱形電池的極耳設(shè)計(jì)這個很多人還不知道，現(xiàn)在讓我們一起來看看吧！

1、最近，電動汽車和電池的領(lǐng)先制造商特斯拉公司發(fā)布了一種新型圓柱形鋰離子電池的“無電極耳朵”設(shè)計(jì)概念，在電池專家中引起了不小的轟動(Ref。1).

2、特斯拉聲稱，這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)顯著提高了現(xiàn)有電化學(xué)系統(tǒng)下汽車的續(xù)航里程和動力。

3、對于年增長率僅為百分之幾的電池行業(yè)來說，這是一個令人難以置信的好消息。

4、然而，在深入研究電池的基本物理特性后，我們很快就會發(fā)現(xiàn)為什么這種新的電池設(shè)計(jì)理念可以幫助未來的電動汽車行駛更多的里程。

5、在這篇博文中，我們將討論這種新型的吊耳設(shè)計(jì)。

6、用平面結(jié)構(gòu)模擬電池。

7、先說鋰電池的組成：鋰電池由不同的夾層組成，包括集流體金屬箔、多孔電極和隔膜，置于一個充滿電解液的外殼中。

8、夾層的構(gòu)造取決于外殼的類型(鈕扣電池、方形電池、柔性電池和圓柱形電池等)。).

9、圓柱形鋰離子電池的制造方法是先將不同的電池層卷繞成圓柱形卷，然后放入金屬罐中。由此產(chǎn)生的螺旋結(jié)構(gòu)通常被稱為“果凍卷”，因?yàn)樗浅ｎ愃朴谥袣W的一種糕點(diǎn)。

10、圓柱形電池螺旋卷繞凝膠卷的橫截面。

11、集電器隔板通常由銅(負(fù)極)和鋁(正極)制成，這兩種材料的厚度都為幾十微米或更小。

12、選擇不同金屬的原因是它們在不同電位下的電化學(xué)穩(wěn)定性。

13、為了將流入和流出果凍卷的電流傳導(dǎo)至外部電池罐，在集電器上焊接了額外的金屬條，即突片。

14、小功率電池最簡單的拉片設(shè)計(jì)是果凍卷兩邊各放一個拉片。

15、作為研究ear效應(yīng)的第一種方法，我們可以創(chuàng)建一個偽穩(wěn)態(tài)模型，解釋電子導(dǎo)體和電解質(zhì)中的歐姆電壓損失，以及電極中電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)引起的活化超電勢。

16、在這種情況下，施加到電池上的電流的內(nèi)部分布被化學(xué)家稱為二次電流分布。

17、因?yàn)檫@個模型沒有考慮電極中鋰原子或電解液中鋰離子的積累或耗盡，所以可以看作是電池在特定荷電狀態(tài)下的瞬間凍結(jié)。

18、實(shí)際上，當(dāng)電池充電或放電時，局部濃度會隨時間而變化。

19、然而，二次電流分布模型可以準(zhǔn)確地預(yù)測在給定充電狀態(tài)下給定時間果凍卷中的電壓損失。

20、負(fù)極(左)和正極(右)集電器薄膜中相對于相應(yīng)電流端子的電勢。

21、該圖顯示了當(dāng)以1 C放電時，果凍電池的負(fù)極和正極集流體上的電勢分布.

22、c是電池在一小時內(nèi)充電或放電所需的等效電流。

23、這個果凍卷和18650電池罐一樣大，高65mm，半徑18mm。

24、我們注意到，盡管集流體的潛在損耗非常小，但也不能忽略。

25、對于特斯拉計(jì)劃生產(chǎn)的更大的電池，比如4680電池(80 mm高，46 mm半徑)，如果采用傳統(tǒng)的極耳設(shè)計(jì)，電壓損失會非常大。

26、因?yàn)槲覀兊哪Ｐ褪腔谖锢韴龅?，所以我們可以很容易地從歐姆損耗(焦耳熱)和活化超電勢推導(dǎo)出局域熱源。

27、通過將熱源變量引入傳熱模型，我們得到以下結(jié)果。

28、果凍卷中的溫度分布。

29、在模擬中，我們在果凍卷的外部區(qū)域應(yīng)用對流冷卻條件，并規(guī)定冷卻熱通量與表面溫度和外部溫度(25C)之差成比例。

30、通過拉環(huán)末端的電氣端子傳導(dǎo)的熱量被忽略。

31、如果我們看看溫度分布，我們可以看到，在吊耳的溫度急劇上升。

32、這說明對于這種極小的電池，即使在中等電流下，極耳中的焦耳熱也會引起明顯的局部發(fā)熱。

33、局部的溫差還會擴(kuò)散到相鄰的電極層，導(dǎo)致電池的某些部分老化更快，從而縮短整個電池的壽命。

34、建模仿真時，建立真實(shí)的果凍卷幾何圖形有點(diǎn)麻煩。

35、很難在螺旋幾何圖形中繪制對象，例如，在果凍卷中添加多個凸耳。

36、此外，很難將螺旋層內(nèi)部的結(jié)果可視化，例如繪制通過卷中不同位置的翼片的電流密度。

模擬一個扁平的果凍卷

我們可以在一個扁平的（展開的）果凍卷幾何圖形上定義相同的模型。

39、這樣我們能夠輕松地引入極耳并更方便地查看模型和仿真結(jié)果。

40、建立扁平化模型后，我們可以虛擬地滾動電池。

41、下圖顯示的是一個扁平的果凍卷幾何圖形，不同的層和極耳被繪制為矩形塊。

螺旋果凍卷幾何圖形的扁平化表示。

實(shí)際上，當(dāng)由夾層堆疊創(chuàng)建果凍卷時，前（綠色）邊界最終將與矩形塊堆疊層的后側(cè)接觸，見上圖。

45、為了在數(shù)學(xué)上將這些在幾何上分離的邊界連接在一起，我們使用了特殊的耦合邊界條件，即 COMSOL Multiphysics? 軟件中的非局部耦合建立扁平果凍卷模型。

46、這就是我們上面所說的虛擬滾動電池的意思。

扁平幾何形狀另一個的優(yōu)點(diǎn)是需要較少的網(wǎng)格單元，因?yàn)椴恍枰馕鼍淼木植壳省?/p>

48、令人欣慰的是，扁平幾何形狀的溫度曲線準(zhǔn)確地再現(xiàn)了果凍卷的模擬結(jié)果，見上文。

49、這表明我們可以進(jìn)行這種扁平化轉(zhuǎn)換，而且對結(jié)果的影響很小。

扁平化果凍卷中的溫度 （°C）。

現(xiàn)在我們可以在扁平的幾何形狀中輕松可視化交錯隔膜的電流密度，如下圖所示。

一個隔膜在平面方向的電流分布（A/m2 ）。

像這樣的電流分布圖可以為電池設(shè)計(jì)人員提供非常寶貴的意見。

56、在這個示例中，上圖顯示了在靠近極耳的區(qū)域，電流密度明顯更高。

57、這意味著電池在靠近極耳的區(qū)域會受到更多的電化學(xué)磨損，從而加速老化。

58、如果讓電池運(yùn)行更長的時間，上面的電流分布圖最終會變得更均勻。

59、對于在固定荷電狀態(tài)下循環(huán) 時間較短的電池（例如，負(fù)載均衡電池系統(tǒng)），上述電流分布的評估將相當(dāng)準(zhǔn)確。

用 COMSOL Multiphysics 研究集成極耳設(shè)計(jì)

現(xiàn)在讓我們使用上述建模方法來研究所謂的無極耳設(shè)計(jì)。

無極耳的概念意味著移除額外的金屬條極耳，使用集流體金屬箔將電流傳導(dǎo)到外部。

63、這是通過將箔片延伸到電極區(qū)域以外來實(shí)現(xiàn)的。

64、由于箔片非常薄，因此需要大量延伸的金屬箔條以防止出現(xiàn)大的歐姆電阻。

65、術(shù)語“無極耳”有點(diǎn)誤導(dǎo)，因?yàn)闃O耳實(shí)際上是被集成到箔片中了，而不是完全移除。

66、因此，我們在本博文的其余部分使用術(shù)語 集成極耳 來表示 無極耳。

為了說明在實(shí)踐中是如何工作的，下圖顯示了兩個使用了集成極耳的電池負(fù)極集流體箔片中的電勢分布。

68、除了極耳配置之外，這兩個電池與上面的示例完全相同。

69、左圖示例僅使用了 1 個極耳極耳，右側(cè)示例在每側(cè)使用了 20個極耳。

70、注意兩個電位圖例的不同，它們的尺度相差超過了 30 mV！

使用集成極耳比較兩個電池的負(fù)極集流體中的電勢：1 個極耳（左）和 20 個極耳（右）。

這表明使用一個集成極耳會產(chǎn)生非常大的潛在損失，從而導(dǎo)致大量的局部熱源。

76、對于具有許多極耳的電池，其潛在損失低于使用傳統(tǒng)極耳的電池。

帶有一個集成極耳的示例應(yīng)該被視為一個極端。

78、但我們還希望通過使用不超過需求的極耳來節(jié)省金屬和電池的重量。

79、為了研究極耳數(shù)量的影響，我們可以進(jìn)行參數(shù)化掃描研究并繪制極耳數(shù)量與電池的總極化和最高溫度的關(guān)系。

電池總極化和最高溫度與集成極耳的數(shù)量的關(guān)系。

如圖所示，當(dāng)極耳數(shù)量增加時，總電池極化曲線和溫度曲線開始快速地接近漸近線。

83、我們可以看到，添加 20 多個集成極耳金屬箔條不會將電池極化降低到 55 mV以下。

84、剩余的電池極化來源于不受極耳數(shù)量影響的其他過程，例如電解質(zhì)的電阻和電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)。

85、我們還看到，僅使用一個或兩個極耳并不可取，因?yàn)闇囟葧仙椒浅８叩乃健?/p>

86、高溫會加速老化，也是一個直接的安全隱患。

下圖比較了使用集成極耳和傳統(tǒng)極耳的電流分布。

88、我們看到，集成極耳的電流分布更加均勻。

89、此外，使用集成極耳時仍然存在小分布效應(yīng)，主要沿著果凍卷的高度方向。

使用 20 個集成極耳（左）和傳統(tǒng)極耳（右）時，流經(jīng)卷層方向的電流分布。

當(dāng)涉及到熱傳遞時，集成極耳可改善果凍卷的內(nèi)部冷卻。

95、這是因?yàn)橥ㄟ^優(yōu)良的熱導(dǎo)體金屬，極耳與外部冷卻表面進(jìn)行了熱接觸。

96、每個極耳都與外部進(jìn)行了熱和電接觸。

下圖顯示了帶有集成極耳的果凍卷電池的溫度分布。

98、從這張圖中我們可以看出，與傳統(tǒng)的極耳相比，這個果凍卷電池的溫度場分布更加均勻。

使用 20 個集成極耳的溫度 （°C） 分布。

結(jié)束語

綜上所述，集成極耳顯著改善了電流的傳導(dǎo)和電池外的熱量傳導(dǎo)。

103、這使得制造具有更大半徑的圓柱形電池成為可能，同時可以提供更高的電池組整體能量和功率密度。

104、更大的電池半徑使內(nèi)部電池材料量與電池的外殼（罐）之間的比例更大。

105、這也解釋了特斯拉為什么會提出“無極耳”的設(shè)計(jì)概念。

“無極耳”設(shè)計(jì)被證明是傳統(tǒng)鋰離子電池極耳的創(chuàng)新替代方案。

107、然而，它也帶來了新的工程挑戰(zhàn)，這個可以在 COMSOL Multiphysics 軟件中進(jìn)行評估。

本文到此結(jié)束，希望對大家有所幫助。