改进圆柱电池中的标签设计

2022年3月22日

最近，主要电动汽车和电池制造商特斯拉公司（Tesla Inc.这引起了电池专家的轰动。（（参考。1）特斯拉声称，使用已经存在的化学作用，创新带来了范围和功率的显着增加。对于一个用单位百分比量表逐年进步的电池群体，这听起来太好了，以至于无法真实。但是，挖掘基础电池物理，很快就揭示了为什么这个概念可以为我们未来的电动汽车提供额外的里程。在这篇博客文章中，我们探讨了这种新的标签设计。

使用标签模拟电池

让我们从一开始就将其进行：锂电池被构造为不同层的三明治 - 当前的收集器金属箔，多孔电极和分离器 - 放置在装有电解质的围栏中。三明治的配置取决于外壳的类型（硬币单元，棱镜，小袋，圆柱体等）。圆柱形锂离子电池是通过将不同的电池层滚成圆柱卷来制造的，然后将其放在金属罐中。由此产生的螺旋结构通常称为“果冻卷”，因为它与中欧的糕点相似。

螺旋伤的果冻卷的横截面，用于圆柱电池。

当前的收集器箔通常由铜（负电极）和铝制（正电极）制成，均具有约几十微米或更少的厚度。选择不同金属的原因是它们在不同电位处的电化学稳定性。为了使电流从果冻卷到外部，到电池罐，将额外的金属条（Tabs）带到当前的收集器上。最简单的标签设计，用于低功率电池，将一个标签放在果冻卷的每一侧。

作为研究表的效果的第一种方法，我们可以创建一个静态模型，该模型解释了电子导体和电解质中的欧姆电压损耗，以及由于电极中电荷传递反应而引起的激活过电位。在这种情况下，施加的电池电流的内部分布称为次级电流分布由电化学家。由于该模型不考虑电极或电解质中锂离子中锂原子的积累或耗竭，因此可以将其视为以一定的电荷状态冷冻电池的快照。实际上，随着电池充电或排放电池，局部浓度会随着时间而变化。但是，次级电流分布模型可以准确预测给定充电状态时给定时间时刻的果冻卷中的电压损耗。

相对于相应的电流终端，负（左）和正（右）电流收集器箔的潜力。

上面的数字显示了在经过1 C放电时电池果冻卷的负电流收集器和正阳性收集器中的潜在分布。1 C是在一小时内充电或排放电池所需的等效电流。这种果冻卷的尺寸适合18650电池的罐子，高度为65毫米，半径为18毫米。我们注意到，尽管当前收藏家中的潜在损失相当小，但它们并不容易忽略。对于特斯拉（Tesla）计划制造的4680牢房（高度80毫米和46毫米）等较大的单元格，使用传统的标签设计将变得巨大损失。

由于我们的模型是基于物理的，因此可以根据欧姆损失很容易得出局部热源（焦耳加热）和激活过电势。将热源变量插入传热模型时，我们将获得以下结果。

模型结果显示果冻卷中的温度分布。
果冻卷中的温度分布。

在这里，我们在果冻卷的外部区域应用对流冷却条件，规定冷却热通量与表面温度和外部温度（25°C）的差异成正比。通过标签末端的电端子进行的热量被忽略。

如果我们查看温度分布，我们可以看到选项卡中的温度急剧升高。这表明标签中的焦耳加热即使在中等电流处也会为相当小的电池加热。局部温度差也可以传播到相邻的电极层中，然后导致电池的一部分更快，然后限制整个电池的寿命。

进行建模和模拟时，真正的果冻卷几何形状有点麻烦。例如，在螺旋几何形状中绘制对象是很棘手的，例如在果冻卷的内部添加多个标签。另外，很难可视化螺旋层内部的结果，例如，通过滚动中不同位置的分离器绘制电流密度。

建模扁平的果冻卷

另外，我们可以在果冻卷几何形状的扁平（展开）版本上定义相同的模型。这使我们可以轻松地引入选项卡并更好地查看模型和仿真结果。相反，我们几乎可以滚动电池。下面的插图中显示的是果冻卷的扁平版本，其中不同的层和标签被绘制为矩形块。

扁平的螺旋果冻卷的几何形状。
螺旋果冻几何形状的平坦表示。

实际上，当从层堆栈中创建果冻卷时，正面（绿色）边界最终与矩形块的堆栈的背面接触，请参见上图。特殊的耦合边界条件，即ComsolMultiphysics®软件中所谓的非本地耦合，用于扁平的果冻卷模型，以便将这些现在的几何分离边界连接在一起。188金宝搏优惠这就是我们上面的意思，实际上是滚动电池。

扁平的几何形状还具有需要更少的网格元素的优势，因为胶卷的局部曲率不需要解决。令人放心的是，扁平的几何形状的温度曲线准确地重现了果冻卷的结果，请参见上文，表明我们可以执行这种扁平的转换，仅对结果的影响很小。

扁平的果冻卷中的温度（°C）。

如下图所示，扁平的几何形状可以轻松地可视化跨分隔符电流密度。

在扁平的果冻滚动几何形状中的一个分离器的平面方向上的电流分布的图。
当前分布（A/M²）沿其中一个分离器的平面方向。

当前的分销图为电池设计师提供了宝贵的见解。在这种情况下，该图在靠近标签的区域显示出明显更高的电流密度。这意味着电池在更靠近标签的区域中暴露于更多的电化学磨损，从而导致衰老加速。如果允许单元格时间更长的时间，则上面显示的当前分布图最终将均匀地达到更均匀的轮廓。但是，对于电池进行了循环短在固定的充电状态（例如，负载级别的电池系统）附近的时间量，我们对上述当前分布的评估相当准确。

调查comsol多物理学中的集成标签设计188金宝搏优惠

现在，让我们使用上述建模方法来研究所谓的小型设计设计。

小巧的概念意味着要删除其他金属带片，而是让金属电流收集器箔将电流传递到外部。这是通过扩展箔到达电极区域外的。由于箔非常薄，因此需要大量此类延伸的箔条带，以防止大欧姆电阻。实际上，“ tabless”一词有些误导，因为选项卡已集成到箔中，而不是完全删除。因此，我们使用术语集成选项卡和集成的标签在此博客文章的其余部分中。

为了说明这在实践中的工作方式，下面显示了使用集成表的两个单元的负电流收集器箔中的潜在分布。除了表配置外，单元格还与上面的示例相同。左侧的插图仅使用1个集成选项卡，而右侧的示例在每一侧使用20个选项卡。注意潜在传说的不同尺度。差异超过30 mV！

使用集成的表格对两个单元格的负电流收集器中电势的比较：1个Tab Cell（左）和20个TABS（右）。

使用一个集成的选项卡会产生非常大的潜在损失，从而导致局部热源大。至于带有许多选项卡的单元格，我们比使用传统标签的细胞获得了更低的潜在损失。

带有一个集成选项卡的示例应被视为极端。另一方面，我们希望通过不使用比要求更多的选项卡来节省金属和电池重量。为了研究选项卡数量的影响，我们可以执行参数扫描研究，并绘制针对总偏振和最高温度的选项卡数。

显示总单元极化和最高温度与集成选项卡的数量的图。
总细胞极化和最高温度与集成选项卡的数量。

如图所示，我们开始很快地接近渐近线。我们可以看到，添加20多个集成的选项卡条不会降低细胞极化低于55 mV水平。该剩余的细胞极化源于其他不受选项卡数量（例如电解质的抗性和电荷转移反应）影响的过程。我们还看到，仅使用一个或两个选项卡是一个选择，因为温度达到很高的水平。高温加速衰老，也是直接的安全危害。

比较下面的集成和传统标签之间的当前分布，我们看到具有集成标签的分布更加均匀。另外，现在主要沿果冻卷的高度方向看到了使用集成表的小分布效应。