當(dāng)下，哪種形態(tài)的電芯最適合新能源汽車應(yīng)用還是熱議的話題。對于汽車制造商 (OEM) 而言，了解不同電池形態(tài)的特性和優(yōu)缺點(diǎn)至關(guān)重要，只有這樣才能對哪種電池最適合他們的特定應(yīng)用做出明智的決定。隨著汽車動力電池領(lǐng)域技術(shù)的快速發(fā)展，為了未來的項(xiàng)目不斷重新評估過去的選擇是十分必要的，對以往選擇使用軟包電池或方形電池的OEM來說尤為如此。

自從Tesla 宣布其 4680 電池采用無極耳結(jié)構(gòu)以來，圓柱形電池受到了越來越多的關(guān)注。Panasonic、LG Chem、Samsung SDI 和比克電池等電池制造商已經(jīng)確認(rèn)正在進(jìn)行 4680 型圓柱電池的原型開發(fā)。然而，鋰電池制造商們?nèi)悦媾R技術(shù)難題，大規(guī)模生產(chǎn)可能要到 2023 年才會開始。德國電池制造商 Varta AG 宣布推出基于“創(chuàng)新箔密封設(shè)計”的 21700 電池，該電池具有顯著降低的內(nèi)阻和改進(jìn)的散熱性能，可在 6 分鐘內(nèi)充滿電。最近，特斯拉向客戶交付了第一批配備無極耳 4680 電池的 Model Y 車輛。

大圓柱電池的應(yīng)用是未來趨勢之一，整車廠商是否選對電池形態(tài)尤為重要，甚至決定了在未來是否能保持競爭優(yōu)勢。此外，大圓柱電池優(yōu)化了能量、充電時間、安全性和生產(chǎn)成本等重要關(guān)鍵性能指標(biāo)，對其廣泛應(yīng)用有助于加快汽車電動化進(jìn)程。因此，了解在所有相關(guān)條件下具有新型極耳設(shè)計的圓柱電池的特性和性能非常重要。

許多領(lǐng)先的電池制造商投入大量資源開發(fā)具有創(chuàng)新極耳設(shè)計和更大直徑的圓柱形電池，這一事實(shí)清楚地表明了全極耳大圓柱電池的巨大潛力。由于車輛開發(fā)是一個多年的過程，OEM 們必須密切關(guān)注這一點(diǎn)，并決定其他形態(tài)的電池是否能跟上未來的大圓柱形電池。否則，一旦他們做出錯誤的選擇并決定使用落后的電芯形態(tài)，就有可能落后于其他競爭對手。此外，選擇充分優(yōu)化了能量、充電時間、安全性和生產(chǎn)成本等重要關(guān)鍵性能指標(biāo)的最佳電池形態(tài)并對其廣泛應(yīng)用，有助于加快汽車電動化進(jìn)程。因此，了解在所有相關(guān)條件下具有新型極耳設(shè)計的圓柱電池的特性和性能非常重要。

Lee 等人早在 2013 年就計算了帶有不同數(shù)量極耳的大圓柱形電池沿各個方向的電流和溫度的不均勻性。他們表明，增加極耳數(shù)量會顯著降低沿卷芯圓周方向的電流和溫度不均勻性。采用完美的無極耳設(shè)計，電流幾乎完全沿軸向流動，而圓周方向的電流變得可以忽略不計。Li 等人是第一個擴(kuò)大了極耳設(shè)計研究范圍，將電池殼體的影響考慮其中的人，并報告說殼體對熱-電表現(xiàn)有重大影響。然而，他們的研究模型基于單極耳的商用18650 電池，并且沒有考慮無極耳電池的實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)。

Sturm等人研究了具有不同極耳數(shù)量的 18650、21700 和 26650 電池的不均勻性和快速充電能力，并比較了預(yù)先確定的恒定電流和多步電流曲線。在最近的一項(xiàng)研究中，Tranter 等人已經(jīng)估計了在預(yù)先給定的電流工況下，沿圓柱形 4680 電池的徑向和圓周方向的電流和溫度不均勻性，并指出，對于大電池直徑，某種形式的極耳設(shè)計是必不可少的，否則會加劇圓周方向的歐姆損耗。然而，由于他們選擇了橫截面的 2D 方法，所以沒有考慮電池的軸向尺寸，而且他們不得不依賴基于 Tesla專利的無極耳設(shè)計屬性的理論假設(shè)。正如 Tranter 等人所討論的那樣，他們沒有考慮箔材與殼體之間的連接以及制造過程的影響，因而需要進(jìn)一步研究。

總之，以前關(guān)于具有創(chuàng)新極耳設(shè)計的圓柱形電池的熱-電表現(xiàn)的研究不得不完全依賴數(shù)值方法，要么沒有使用真實(shí)的電池幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證，要么無法獲得成熟的無極耳電池而只能使用老式的單極耳電池。此外，研究者僅使用來預(yù)定的電流制式來計算熱和電的不均勻性，并且沒有根據(jù)局部析鋰風(fēng)險計算和驗(yàn)證快速充電時間。最重要的是，所有現(xiàn)有研究都沒有考慮新的極耳連接和焊接工藝所帶來的獨(dú)特設(shè)計和幾何特性。

盡管長期以來人們都知道無極耳電極設(shè)計的重大優(yōu)勢，但將近十年的時間過去了，現(xiàn)在才走到了大規(guī)模生產(chǎn)的前夕。改進(jìn)的極耳設(shè)計和更大的電池尺寸為工程師們提供了設(shè)計圓柱形電池組的多種新的可能性，而這些電池組尚未得到詳細(xì)研究。

02 成果掠影

關(guān)鍵詞：鋰離子電池；大圓柱；全極耳；快充；冷卻和加熱策略

德國亞琛工業(yè)大學(xué) Hendrik Pegel 團(tuán)隊(duì)使用專為汽車高性能應(yīng)用制造的具有新穎全極耳設(shè)計、最先進(jìn)的高鎳陰極和 SiOx-C 陽極的圓柱形鋰離子電池，參數(shù)化建模并進(jìn)行對大圓柱形電池性能的研究，全極耳大圓柱電芯由國內(nèi)鋰電企業(yè)比克電池提供。重點(diǎn)關(guān)注對全極耳設(shè)計內(nèi)部熱路徑的準(zhǔn)確建模和驗(yàn)證，這對于有效的熱管理來說至關(guān)重要，并且是全極耳電池相比以前的單極耳電池的最大優(yōu)勢之一。文中空間分辨的理化模型在 ?20°C 至 65°C 的溫度范圍內(nèi)，通過來自多個不同測試設(shè)置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了廣泛驗(yàn)證。探究了幾種條件下電芯的最優(yōu)化充電時間和熱管理策略，使得在電芯不發(fā)生析鋰的前提下：在 20°C環(huán)境下，可11分53秒內(nèi)將電池從10%充到80%；在零下 20°C環(huán)境下，可將10%-80%的快充時間優(yōu)化到 15分58秒的水平。這些發(fā)現(xiàn)為行業(yè)提供了大圓柱形電池從 10 % 充電狀態(tài)到 80 %充電狀態(tài)不到 12 分鐘的快速充電性能的展望。

• 用于空間分辨電芯建模的熱-電-電化學(xué)耦合框架是基于最先進(jìn)的全極耳大圓柱電池開發(fā)的。

• 在 ?20°C 至 65°C 的溫度范圍內(nèi)對模型進(jìn)行一般驗(yàn)證，通過在具有自由對流和液體冷卻板的環(huán)境箱中循環(huán)電池來完成，重點(diǎn)捕捉創(chuàng)新極耳設(shè)計的真實(shí)屬性。

• 基于包括最小陽極電壓、最大電池電壓、最大活性材料溫度和最大充電電流在內(nèi)的一組物理邊界，電流控制器被用于計算充電曲線。

• 通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證最大負(fù)載和實(shí)際操作條件下的充電曲線和空間溫度分布，并使用真實(shí)的液體冷卻板裝置，應(yīng)用不同的技術(shù)來驗(yàn)證和證明在使用優(yōu)化的快速充電協(xié)議充電時沒有發(fā)生析鋰。

• 經(jīng)過驗(yàn)證的模型用于研究最佳熱管理策略作為環(huán)境和起始溫度的函數(shù)，以得出關(guān)于最佳冷卻和加熱的一般陳述，這些陳述總結(jié)在我們的“冷卻和加熱圖”中。使用得出的最佳熱管理得到的快速充電時間，在電動汽車應(yīng)用的整個溫度范圍內(nèi)提供了對未來全極耳大圓柱電池性能和潛力的展望。

相關(guān)成果以“Fast-charging performance and optimal thermal management of large-format full-tab cylindrical lithium-ion cells under varying environmental conditions”為題發(fā)表于《Journal of Power Sources》期刊。是鋰電池行業(yè)內(nèi)首篇使用真實(shí)商業(yè)化的全極耳大圓柱電池驗(yàn)證數(shù)字模型結(jié)論的文章。

03 圖文導(dǎo)讀

使用專為汽車高性能應(yīng)用設(shè)計的具有 10 Ah 容量和最先進(jìn)的 LiNi_xMn_yCo_zO₂ (NMC, x > 0.8) 陰極和 SiO_x-C 陽極的圓柱形電池來參數(shù)化和驗(yàn)證建模框架，該電池由制造商比克電池（中國深圳）直接提供，用于進(jìn)行科學(xué)研究。除非另有說明，否則所有測試均在 2.5 V 至 4.2 V 的工作電壓范圍內(nèi)進(jìn)行。

圖1 電池示意圖。

電池的示意圖如圖 1（a）所示。為增強(qiáng)散熱性能，電池殼體由帶有激光焊接端蓋的精抽鋁管制成。

卷芯由帶有連續(xù)伸出部(overhang)的集流體箔材卷繞而成。鋁和銅的伸出部(overhang)連接到兩側(cè)的集流板上，這使得電流能夠在整個體積中沿軸向方向流向集流板，而不必沿著每層的螺旋曲線沿圓周方向行進(jìn)。陰極集流板進(jìn)一步連接到電池殼的底部，陽極集流板通過額外的焊接金屬連接器連接到中央端子。

Tesla專利本身描述了不同“子類型”的無極耳圓柱形電池，這些電池利用例如膨脹力、激光焊接和/或超聲波焊接將箔伸出部(overhang)連接到底部以及底部表面的輪廓形狀的同心凹槽。然而，除此之外，對于無極耳電芯的科學(xué)分類，還沒有普遍的共識。因此，本文中使用的參考電芯的極耳設(shè)計被稱為“全極耳”，因?yàn)樗恢苯訉儆赥esla專利的范疇，并為了強(qiáng)調(diào)將會有各種不同的電池設(shè)計和生產(chǎn)技術(shù)方法，所有這些都需要詳細(xì)探討，并且都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

圖2 電池模型驗(yàn)證。

作者設(shè)計了一系列實(shí)驗(yàn)來探究電池在各種狀況下的表現(xiàn)、析鋰的判定指標(biāo)、快充策略的邊界等；更重要的是，作者基于真實(shí)的全極耳大圓柱電芯的各項(xiàng)指標(biāo)，建立了熱-電-電化學(xué)耦合模型，并通過與實(shí)際的測量數(shù)據(jù)對比，在很寬的區(qū)間內(nèi)驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性。作者基于該模型，探究了幾種條件下，通過電池管理系統(tǒng)的冷卻、加熱與電芯配合，電芯的最優(yōu)化充電策略，使得在電芯不發(fā)生析鋰的前提下，獲得最短的充電時間。

圖3 快速充電驗(yàn)證。

圖4 最佳冷卻控制。

圖5 低于?8.5℃最佳加熱控制溫度。

圖6 加熱功率靈敏度。

圖7 最佳冷熱結(jié)合使用。

一些關(guān)鍵內(nèi)容：

• 快充邊界的確定：上限電池電壓4.2V、上限電池溫度60°C、下限陽極電壓20 mV vs. Li/Li⁺、最大電流計算為 4.25 C（假設(shè)電池系統(tǒng)為 800 V, 由2604 個電芯 14P186S組成, 共95 kWh 能量，充電站的最大電流為 595 A）。

• 在快充策略的探究中，作者使用了3種方法(電壓弛豫法、循環(huán)保持率法和差分電壓法)來確保陽極沒有析鋰現(xiàn)象的產(chǎn)生。

• 作者首先分別研究了在不同溫區(qū)下，電池系統(tǒng)的冷卻與加熱的最佳介入策略，并給出優(yōu)化后的結(jié)果：最佳的冷卻策略可在20°C環(huán)境下11分53秒內(nèi)將電池從10%充到80%；最佳的加熱策略可在-20°C內(nèi)將10-80%的快充時間優(yōu)化在15分58秒的水平。

• 最后作者結(jié)合了冷卻與加熱，給出了一張非常有趣的“冷卻和加熱圖”，相信會給電池系統(tǒng)與電芯的開發(fā)者相當(dāng)有價值的啟發(fā)。

圖8 電池底部冷卻和底部加熱的冷卻-加熱圖。

04 結(jié)論

本文開發(fā)了一種基于大圓柱形電池的空間分辨熱-電-電化學(xué)框架，實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的電池具有新穎的全極耳設(shè)計、最先進(jìn)的高鎳陰極和 SiO_x-C 陽極，并在-20°C 至 65°C的寬溫度范圍內(nèi)進(jìn)行了廣泛驗(yàn)證。基于該模型，用一組邊界（包括最小局部陽極電壓和最大活性材料溫度）下的電流控制器來計算快充曲線。根據(jù)計算的電流方案對電池進(jìn)行循環(huán)，結(jié)果顯示計算和測量的電壓和溫度之間具有良好的一致性。此外，許多指標(biāo)可以證明在快速充電過程中沒有發(fā)生析鋰。隨后對最佳熱管理策略的理論研究表明，對于介于 -8.5°C 和 25°C 之間的溫度范圍，存在優(yōu)化的冷卻策略，可最大限度地減少充電時間。冷卻應(yīng)在該溫度范圍內(nèi)盡可能晚地開啟，以在活性材料局部達(dá)到溫度邊界之前允許必要的梯度發(fā)展。對于高于 25°C 的高溫，應(yīng)立即開啟冷卻，以最大限度地減少電流完全受溫度限制的時間。在低于 ?8.5°C 的低溫下，不需要冷卻，因?yàn)闊崛萘繒账挟a(chǎn)生的熱量，而不會到達(dá)溫度邊界。相反，盡可能長時間地加熱電池以準(zhǔn)確達(dá)到溫度邊界可以縮短充電時間。起始溫度越低，這種改善就越明顯。

一項(xiàng)敏感性研究表明，即使注入電池的總熱量保持不變，更多的加熱功率也會進(jìn)一步縮短充電時間。這是因?yàn)殡姵丶訜岬迷娇欤娏髟黾雍妥詿嵩黾又g的正反饋回路就越強(qiáng)。此外，研究表明，在特定情況下，存在先加熱后冷卻的相互作用以進(jìn)一步優(yōu)化充電時間的情況。結(jié)果總結(jié)在“冷卻和加熱圖”中，為工程師提供了一個有用的工具來設(shè)計汽車應(yīng)用的熱管理系統(tǒng)。

通過最佳的熱管理，本文所研究的電池實(shí)現(xiàn)了不到 12 分鐘從 10% 充電到 80% SOC 的快速充電時間，這顯示了成熟的全極耳大圓柱電池的巨大潛力。事實(shí)證明，在不同環(huán)境條件下，對于給定電池的智能熱管理有可能通過簡單地理解和利用潛在物理現(xiàn)象與幾何方面的相互作用來顯著優(yōu)化充電時間。