第一作者：T. G. Tranter
通訊作者：T. G. Tranter，D. J. L. Brett
通訊單位：英國倫敦大學(xué)學(xué)院，英國法拉第研究所
從熱管理角度來看，傳統(tǒng)的鋰離子電池設(shè)計存在局限性。當(dāng)通過末端的極耳進(jìn)行電流收集時，圓柱形電池中長的螺旋型或果凍卷型（jelly-roll）電極長度會導(dǎo)致電池內(nèi)部電流和溫度分布的不均勻性。同時其自身周圍的絕緣性組件會導(dǎo)致電池內(nèi)核與外表之間的內(nèi)部溫度梯度。綜合這些因素還可能導(dǎo)致電池內(nèi)荷電態(tài)、衰減程度等的不均勻性。引入額外的極耳可能會緩減電流分布的不均勻性，但也會導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力，從而加速電池衰減與容量損失。Tesla近期提出了一種尺寸更大的圓柱形4680電池，其外殼直徑為46 mm，高度為80 mm。該類電池在能量密度和功率輸出方面具有一定優(yōu)勢，但由于卷芯更長，可能會加劇內(nèi)部電流和溫度分布的不均勻性。圓柱直徑增加時，由于電池的表面積/體積比降低，可能會導(dǎo)致有效熱管理出現(xiàn)問題。為解決這些問題，Tesla提出了一種“無極耳”集流方式，該方法通過使用集流體箔本身（從箔邊緣延伸的連續(xù)集流體陣列）來實現(xiàn)電流收集。這意味著電池內(nèi)部的電流分布更加均勻，集流體箔的大部分邊緣均維持在相同電位。從理論上講，該設(shè)計可減少電池內(nèi)部大部分歐姆損耗以及由此產(chǎn)生的大量熱量。
本文利用新型電池及不同極耳/無極耳的集流體設(shè)計進(jìn)行仿真，以演示電流分布的不均勻性并預(yù)測不同冷卻場景下的溫度變化。該仿真預(yù)測提供了鮮明的對比數(shù)據(jù)，并證明即使在1C的中等放電倍率下，歐姆損耗對熱管理的重要性。該計算框架采用基礎(chǔ)物理模型，而非等效電路進(jìn)行擬合，可為電池設(shè)計和未來衰減機(jī)理研究提供有價值的見解。該工作以“Communication—Prediction of Thermal Issues for Larger Format 4680 Cylindrical Cells and Their Mitigation with Enhanced Current Collection”為題發(fā)表在Journal of The Electrochemical Society。
【研究內(nèi)容】
采用基于層析成像的計算域研究圓柱形電池中耦合的熱電特性。開源軟件PyBaMM用于多孔電極理論描述的電化學(xué)，使用Doyle，F(xiàn)uller及Newman（DFN）模型和OpenPNMis用于全局電流和熱傳輸。圖1顯示了每種集流體設(shè)計的計算域，每種研究示例的對流散熱邊界條件如表I所示。
圖1 （a）標(biāo)準(zhǔn)極耳設(shè)計和（b）“無極耳”設(shè)計的計算域。藍(lán)色代表負(fù)極集流體，紅色為正極集流體，綠色代表外殼的熱邊界
表1每種研究示例的對流散熱邊界條件
圖2顯示了表1中所有研究示例的局部電流密度和溫度的變化以及示例A和E的總產(chǎn)熱量。采用傳統(tǒng)極耳設(shè)計的電池以大約1C（17.5 A）的倍率放電時，由于沿集流體長度方向的高歐姆損耗，會導(dǎo)致局部電流密度分布非常寬（圖2a）。隨著溫度的升高，電池電壓也存在一定的溫度依賴性，從而使電池運(yùn)行時間延長。集流體中的高歐姆損耗會產(chǎn)生大量熱量，如圖2e所示。若電池沒有主動冷卻時，在最壞情況下（環(huán)境熱損失最?。?dǎo)致溫度升高，超過室溫80℃（圖2c）。而采用Tesla提出的無極耳設(shè)計時，電流密度分布相對均勻（圖2b），沿集流體長度方向的歐姆損耗減少，從而使得電池運(yùn)行過程中溫度僅比環(huán)境溫度高20℃，比傳統(tǒng)極耳設(shè)計低60℃。這種差異主要?dú)w因于集流體中的歐姆產(chǎn)熱，這對于無極耳設(shè)計而言可忽略不計（圖2f）。
圖2 電池運(yùn)行過程中果凍卷芯內(nèi)部的電流密度和溫度分布。（a-d）中不同冷卻系數(shù)情況下以虛線表示最小/最大值，以實線表示平均值。左側(cè)為標(biāo)準(zhǔn)極耳設(shè)計結(jié)果，右側(cè)為無極耳設(shè)計的結(jié)果。對于標(biāo)準(zhǔn)極耳設(shè)計（圖e）和無極耳設(shè)計（圖f），顯示了示例A和E中各因素對熱源的影響
圖3和圖4顯示了無主動冷卻和不同極耳設(shè)計的情況下（A和E），不同放電階段瞬時局部電流密度的快照。電池采用傳統(tǒng)的極耳設(shè)計（案例A）時，可以觀察到非常明顯的局部熱點(diǎn)，且環(huán)狀熱點(diǎn)呈波浪狀逐漸移動，像漣漪一樣不斷擴(kuò)大。電流密度分布的范圍更大（圖3），而采用無極耳設(shè)計時電池內(nèi)部電流密度分布相對更均勻（圖4）。預(yù)計采用傳統(tǒng)極耳設(shè)計的電池中局部電流熱點(diǎn)會導(dǎo)致更高的衰減速率。
圖3 示例A中不同荷電態(tài)下電流密度分布的快照
圖4 示例E中不同荷電態(tài)下電流密度分布的快照
【結(jié)論】
對于尺寸較大的新型4680圓柱形電池，沿果凍卷電芯長度方向的高歐姆損耗會加劇電池內(nèi)部電流分布的不均勻性，需采用無極耳設(shè)計來緩減。當(dāng)采用傳統(tǒng)的極耳設(shè)計時，集流體的歐姆損耗導(dǎo)致的熱量損失是無極耳設(shè)計時的5倍?；诒疚姆抡娼Y(jié)果可知在4680型電池中無極耳設(shè)計的優(yōu)勢非常明顯。但應(yīng)注意的是本文仿真模型中不包括集流體箔片邊緣與外殼之間的電氣連接（是影響制造復(fù)雜性和內(nèi)阻的因素），未來的研究工作中應(yīng)包含這些影響。本文的建模框架還可擴(kuò)展至包括沿電池圓柱體高度的3D框架，以便進(jìn)行不同冷卻策略（如底板冷卻）下的熱仿真。
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
