第一作者：T. G. Tranter
通訊作者：T. G. Tranter，D. J. L. Brett
通訊單位：英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院，英國(guó)法拉第研究所
從熱管理角度來(lái)看，傳統(tǒng)的鋰離子電池設(shè)計(jì)存在局限性。當(dāng)通過(guò)末端的極耳進(jìn)行電流收集時(shí)，圓柱形電池中長(zhǎng)的螺旋型或果凍卷型（jelly-roll）電極長(zhǎng)度會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部電流和溫度分布的不均勻性。同時(shí)其自身周圍的絕緣性組件會(huì)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(huì)緩減電流分布的不均勻性，但也會(huì)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(shì)，但由于卷芯更長(zhǎng)，可能會(huì)加劇內(nèi)部電流和溫度分布的不均勻性。圓柱直徑增加時(shí)，由于電池的表面積/體積比降低，可能會(huì)導(dǎo)致有效熱管理出現(xiàn)問(wèn)題。為解決這些問(wèn)題，Tesla提出了一種“無(wú)極耳”集流方式，該方法通過(guò)使用集流體箔本身（從箔邊緣延伸的連續(xù)集流體陣列）來(lái)實(shí)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(jì)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(wú)極耳的集流體設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，以演示電流分布的不均勻性并預(yù)測(cè)不同冷卻場(chǎng)景下的溫度變化。該仿真預(yù)測(cè)提供了鮮明的對(duì)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(duì)熱管理的重要性。該計(jì)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(jì)和未來(lái)衰減機(jī)理研究提供有價(jià)值的見(jiàn)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?jī)?nèi)容】
采用基于層析成像的計(jì)算域研究圓柱形電池中耦合的熱電特性。開(kāi)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(jì)的計(jì)算域，每種研究示例的對(duì)流散熱邊界條件如表I所示。
圖1 （a）標(biāo)準(zhǔn)極耳設(shè)計(jì)和（b）“無(wú)極耳”設(shè)計(jì)的計(jì)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(duì)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(jì)的電池以大約1C（17.5 A）的倍率放電時(shí)，由于沿集流體長(zhǎng)度方向的高歐姆損耗，會(huì)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(shí)間延長(zhǎng)。集流體中的高歐姆損耗會(huì)產(chǎn)生大量熱量，如圖2e所示。若電池沒(méi)有主動(dòng)冷卻時(shí)，在最壞情況下（環(huán)境熱損失最小）會(huì)導(dǎo)致溫度升高，超過(guò)室溫80℃（圖2c）。而采用Tesla提出的無(wú)極耳設(shè)計(jì)時(shí)，電流密度分布相對(duì)均勻（圖2b），沿集流體長(zhǎng)度方向的歐姆損耗減少，從而使得電池運(yùn)行過(guò)程中溫度僅比環(huán)境溫度高20℃，比傳統(tǒng)極耳設(shè)計(jì)低60℃。這種差異主要?dú)w因于集流體中的歐姆產(chǎn)熱，這對(duì)于無(wú)極耳設(shè)計(jì)而言可忽略不計(jì)（圖2f）。
圖2 電池運(yùn)行過(guò)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(shí)線表示平均值。左側(cè)為標(biāo)準(zhǔn)極耳設(shè)計(jì)結(jié)果，右側(cè)為無(wú)極耳設(shè)計(jì)的結(jié)果。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)極耳設(shè)計(jì)（圖e）和無(wú)極耳設(shè)計(jì)（圖f），顯示了示例A和E中各因素對(duì)熱源的影響
圖3和圖4顯示了無(wú)主動(dòng)冷卻和不同極耳設(shè)計(jì)的情況下（A和E），不同放電階段瞬時(shí)局部電流密度的快照。電池采用傳統(tǒng)的極耳設(shè)計(jì)（案例A）時(shí)，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(dòng)，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(wú)極耳設(shè)計(jì)時(shí)電池內(nèi)部電流密度分布相對(duì)更均勻（圖4）。預(yù)計(jì)采用傳統(tǒng)極耳設(shè)計(jì)的電池中局部電流熱點(diǎn)會(huì)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(duì)于尺寸較大的新型4680圓柱形電池，沿果凍卷電芯長(zhǎng)度方向的高歐姆損耗會(huì)加劇電池內(nèi)部電流分布的不均勻性，需采用無(wú)極耳設(shè)計(jì)來(lái)緩減。當(dāng)采用傳統(tǒng)的極耳設(shè)計(jì)時(shí)，集流體的歐姆損耗導(dǎo)致的熱量損失是無(wú)極耳設(shè)計(jì)時(shí)的5倍?；诒疚姆抡娼Y(jié)果可知在4680型電池中無(wú)極耳設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)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(lái)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
