螺旋果冻一般塞几分钟（4680圆柱形电池中的热仿真与分析）

作者：T. G. Tranter及其他合作研究者

背景：

针对热管理的问题，传统的锂离子电池设计展现出其局限性。在通过末端极耳进行电流收集时，尤其是圆柱形电池的螺旋型或果冻卷型电极，其长度导致的内部电流和温度分布不均问题日益显著。加之电池周围的绝缘组件，造成了电池内核与外表之间的内部温度梯度。这些因素还可能导致电池内部的荷电状态和衰减程度的不均匀分布。虽然增加额外的极耳可能有助于减轻电流分布的不均匀性，但这也会引发机械应力，从而加速电池的衰减和容量损失。在此背景下，Tesla推出的4680圆柱形电池，由于其更大的尺寸和更长的卷芯，上述问题可能更加突出。为解决这些问题，Tesla提出了一种“无极耳”集流方式，通过集流体箔本身实现电流收集，从而理论上减少电池内部的欧姆损耗和热量产生。

研究内容：

本研究利用新型电池和不同极耳/无极耳的集流体设计进行仿真实验，以揭示电流分布的不均匀性并预测不同冷却场景下的温度变化。采用基于层析成像的计算域，结合开源软件PyBaMM和Doyle、Fuller及Newman模型，对圆柱形电池中的热电特性进行深入研究。图1展示了两种集流体设计的计算域，而表1则列出了研究示例的对流散热边界条件。

图1展示了标准极耳设计和“无极耳”设计的计算域示意图。而图2则详细显示了各种研究示例中局部电流密度和温度的变化，以及总产热量的情况。传统极耳设计的电池在约1C的倍率放电时，由于集流体长度方向上的高欧姆损耗，导致局部电流密度分布极广。随着温度的升高，电池电压也表现出一定的温度依赖性，延长了电池的运行时间。集流体中的高欧姆损耗会产生大量热量。而在没有主动冷却的情况下，最坏的情况下电池温度可能升高超过室温80℃。相比之下，采用Tesla的无极耳设计，电流密度分布更为均匀，沿集流体长度方向的欧姆损耗显著减少，电池运行时的温度仅比环境温度高出20℃，相较于传统设计低了60℃。这种差异主要归因于集流体中的欧姆产热在无极耳设计中几乎可以忽略不计。

图3和图4展示了无主动冷却和不同极耳设计情况下，不同放电阶段的瞬时局部电流密度快照。采用传统极耳设计时，可以观察到明显的局部热点，且环状热点呈波浪状逐渐扩大。而采用无极耳设计时，电池内部的电流密度分布更为均匀。预计传统极耳设计可能导致电池局部电流热点，从而加速衰减。

对于大尺寸的4680圆柱形电池，沿果冻卷电芯长度的高欧姆损耗会加剧内部电流分布的不均匀性。采用无极耳设计能有效缓解这一问题。与传统极耳设计相比，无极耳设计的集流体欧姆损耗导致的热量损失减少了五倍。仿真结果强烈支持在4680型电池中采用无极耳设计。未来的研究应进一步考虑集流体箔片边缘与外壳之间的电气连接等影响因素，并扩展建模框架以进行不同冷却策略下的热仿真。

T. G. Tranter等人在Journal of The Electrochemical Society上发表了名为“大尺寸4680圆柱形电池的热问题预测及其通过优化电流收集策略进行缓解”的研究。该研究成果可通过以下链接查阅：iopscience./article/XXX/XXX-X（注：此链接为假设，实际链接请查阅期刊）。