4680圓柱電池的最佳冷卻方式

自從特斯拉發(fā)布4680電池以來，各個電池廠家積極開發(fā)4680等大圓柱電池。大圓柱電池具有許多優(yōu)勢：(1)可以減少電池組中銅排和控制電路的數(shù)量，避免更高的電壓降和產(chǎn)熱而導致的能量損失，并提高系統(tǒng)可靠性。(2)由于外殼材料和隔膜等非活性組分的比例降低，電池組水平的能量和功率密度可以更高。

但是，大圓柱電池的主要問題就是散熱問題，如果沒有有效的散熱，較大的電池內(nèi)部可能會產(chǎn)生更高的內(nèi)部溫度和更大的熱梯度，這會限制電池性能并顯著加速老化。電池的散熱率受表面體積比和導熱系數(shù)的影響。對于圓柱電池，由于圓柱幾何形狀，表面體積比與半徑成反比，本質(zhì)上就很低。而且導熱系數(shù)具有很強的各向異性，由于正極、負極、隔膜等多層結(jié)構，徑向方向上的導熱系數(shù)較低。4680電池直徑增加到46mm，與18 mm(18650電池)和21 mm(21700電池)相比，散熱具有挑戰(zhàn)性。

因此，4680電池極片采用全極耳或無極耳設計，在極片側(cè)邊留出不涂布的集流體作為電池的極耳，直接焊接在電池端面的集流盤上。4680電池的連續(xù)的全極耳設計能夠通過減少發(fā)熱和增加散熱來大圓柱形電池尺寸增加產(chǎn)生的熱問題。倫敦帝國理工學院機械工程系創(chuàng)建了一個4680圓柱形電池模型，并使用它來研究不同的熱管理方式。結(jié)果表明，由于采用全極耳設計，4680 電池的熱性能不比 2170 電池差，而 4680的能量和功率是2170 電池的6.9 倍。最后，該模型證明了4680電池的最佳冷卻方法是兩端面底座冷卻，而對于2170電池是側(cè)面冷卻。

圓柱電池中，單個極耳和全極耳設計的電池內(nèi)部結(jié)構如圖1所示。對于但極耳設計電池，除了極耳之外，果凍卷底部和金屬外殼之間的剩余空間都填充了絕緣片以防止短路。由于塑料絕緣片的導熱系數(shù)比金屬外殼和集流體的導熱系數(shù)低幾個數(shù)量級，因此極耳成為了從果凍卷底部到外部金屬殼的主要散熱路徑。而對于Tesla 4680電池，負極集流體銅片直接殼體連接，增加大量連接點有望大大減少連接電阻，并且降低散熱的瓶頸。

圖1 (a) 采用單極耳設計的圓柱電池的橫截面。電極截面局部放大圖，(b) 單極耳設計和 (c) 全極耳設計。(d)2170 LG M50T電池和(e)特斯拉4680電池的負側(cè)極耳

模擬計算中，電池的參數(shù)如表1所示，2170電池模型參數(shù)參照21700 LG M50T實際電池，模型中電極的長度和實際電池有差別，主要是模型通過外殼尺寸限制計算的長度，與實際電池有所不同，4680電池的差別比較大。極耳的設計包括：

(1)單個極耳或者兩個極耳;

(2)全極耳，集流體連續(xù)留白，每圈焊接一個極耳片，最后與電池外電路極柱連接;

(3)無極耳，集流體連續(xù)留白，端面折疊，不焊接額外的極耳，直接與端蓋連接，與特斯拉4680電池設計一樣。

在基礎熱模型中，所有電池固定放電電流為1.5C，熱邊界是所有表面上的對流冷卻，環(huán)境溫度為25°C，傳熱系數(shù)為30 W /(m2 K)，考慮了電極產(chǎn)生的不可逆和可逆(熵)熱量，集流體考慮了不可逆的發(fā)熱，電池產(chǎn)生的總熱量為電池所有元素的總和。21700電池的模擬結(jié)果如圖2所示，對比單個極耳和全極耳的情況，全極耳電池放電電壓更高，電池極化更小(圖2a);而且放電過程中平均溫度也更低(圖2b)，最高溫度和最低溫度的差值更低(圖2c);對比電極、銅箔和鋁箔產(chǎn)生的熱量，單極耳21700電池集流體產(chǎn)生的熱量占比高，而全極耳電池集流體產(chǎn)生的熱量幾乎可以忽略(圖2d)。

圖2 單極耳和全極耳21700圓柱電池熱特性對比

不同極耳設計的4680電池的熱特性結(jié)果如圖3所示。單極耳4680電池在不同倍率C下的放電容量如圖3b，0.1C放電下的容量接近額定容量(27.07Ah)，隨著C倍率從0.1C增加到1.5C，放電容量顯著降低。極片集流體的電流路徑如圖3c，4680電池的電性能對極耳的數(shù)量極其敏感，添加極耳可以通過降低內(nèi)阻來大大提高性能。與2170電池不同，4680電池必須具有雙極耳或全極耳設計。與雙極耳設計相比，全極耳可以顯著降低集流體產(chǎn)生的熱量(圖3e)。

圖3 不同極耳設計的4680電池的熱特性結(jié)果

4680電池的極耳設計考慮全極耳(連續(xù)留白，每以卷繞圈焊接一個極耳)和無極耳(連續(xù)留白，不焊接極耳留白折疊直接與端蓋極柱連接)兩種情況，對比了側(cè)面對流(side convection)、側(cè)面?zhèn)鲗?side conduction)、頂部/底部對流(top/base convection)和頂部/底部傳導(top/base conduction)四種冷卻方式，結(jié)果如圖4所示。傳導冷卻方案比對流方案顯著降低電池平均溫度，這是由于通過金屬傳導而實現(xiàn)的電池與周圍環(huán)境之間的熱傳遞速率比金屬-空氣對流邊界條件更高(圖4a)。側(cè)面?zhèn)鲗Ю鋮s引起電池兩端的最大溫差(圖4b)，雖然頂部/底部對流冷卻的溫差最低，但是這種方式平均溫度最高。4680電池在放電結(jié)束時的四種冷卻方案下的溫度分布如圖4c所示，頂部/底部傳導冷卻是4680無平板電解槽的最佳冷卻方案，能夠獲得較小的平均溫度和熱梯度。

圖4 無極耳設計4680電池冷卻方式對比

全極耳(連續(xù)留白，每以卷繞圈焊接一個極耳)和無極耳(連續(xù)留白，不焊接極耳留白折疊直接與端蓋極柱連接)設計對電池溫升也會有影響，全極耳設計時卷芯和外殼之間一般會加絕緣片，從而影響熱量的傳遞;無極耳設計時，集流體留白折疊直接焊接在集流盤上，增加了散熱速率。如圖5所示，對于4680全極耳電池，平均溫度最高，在放電結(jié)束時達到48 °C。相比之下，具有無極耳設計的電池具有顯著更低的平均溫度，在放電結(jié)束時約為35 °C。溫度差ΔT (即最大溫度Tmax和最小溫度Tmin之間的差),全極耳設計的熱梯度是無極耳設計值的兩倍。通過冷卻頂部和底部，可以進一步降低平均電池溫度和溫度差。