计算迂曲度必备，对称电池EIS传输线模型拟合工具

自从特斯拉公司宣布4680圆柱电池后，各个电池厂家也陆续开发了46系列圆柱电池。现在好几年过去了，目前看到各种相关的会议仍旧比较多。但是，大圆柱电池实际应用情况也不知道到底怎么样了？之前自己也觉得：具有柔性而不是固定高度的46xxx圆柱电池可能会成为新的圆柱电池标准型号。因此，曾经想去深入了解高度等尺寸对结构部件和电池性能的影响，特定车辆所需的电池高度也和汽车底盘、冷却系统等有关。另一方面，电池直径也会影响电池系统的设计，因为直径会影响电池系统的电池数量，串并联设计。在性能方面，电池直径也会影响比表面积和散热能力。此外，电池系统的热管理是优化快速充电性能的关键，外壳材料对电池内部热传导和圆柱形电池的散热能力有很大影响。常见的电池外壳材料有不锈钢和铝，铝的抗拉强度较低，因此与不锈钢制外壳相比，需要更大的壁厚，以确保电池的机械性能，这又会影响电池体积和质量能量密度。电池内部结构设计，如全极耳设计、圆柱形电池的卷针直径，也会进一步影响体积效率。电极的尺寸设计也和结构组件（如外壳厚度、卷针直径和卷芯剩余高度）有关系。如图1所示，以比克圆柱电池结构为基础模型，考虑的电池结构尺寸包括电池的直径dcell、高度hcell，极柱直径dterminal，正负极非活性组件高度hinact,ano、hinact,ca、集流体留白高度hfoils,cu、hfoils,al，卷芯空核直径dcore等。当采用铝作壳体时必须正极与壳体相连，负极与极柱连接，如果铝壳与正极连接会发生腐蚀。图121xxx模型电池卷芯卷绕设计电池设计时，卷芯尺寸根据阿基米德螺旋线公式计算，总电极长度影响参数包括电极的厚度、卷芯空核直径、正负极长度位置布局等。卷芯空核直径需要考虑电池焊接等组装工艺，卷芯内部的电极曲率和电池阿安全故障时的泄压效果等因素。根据经验，卷芯空核直径和电池直径的关系为：商用18650和21700电池的空心直径范围为3.0mm至4.65mm。集流体留白设计假设图1中所示的正负极侧非活性组分高度hinact,ano、hinact,ca主要取决于电池工艺，与电池尺寸无关。集流体和电池零部件电阻假设四种情况：情况1-与容量成反比，以模型电池的参考内阻Rser,ref,i和参考容量Ccell,ref计算其他型号电池的内阻。情况2-与集流盘半径成反比情况3-与电池直径和高度无关，电阻与模型电池相同情况4-完美的全极耳设计，电阻为0电池壳体设计电池外壳要求能够承受某些安全测试的压力，包括挤压和跌落。对于不同型号的电池，根据外壳材质以调整壳体壁厚的方式承受电池的最大内部压力。电池爆破压力根据壳体壁厚和材质的极限抗拉强度计算为：以21xxx模型电池的参数为依据计算其他型号的壁厚对于钢制和铝制外壳，分别使用直径46mm的电池进行了测试电池热设计采用电化学伪二维（P2D）模型耦合热模型，计算局部温度和热量。根据以上建模和分析，电池外型尺寸与对应的参数关系如图2。卷芯空核直径dcore、钢壳或铝壳壁厚与电池直径的关系如图2a所示，不同高度的电池铜和铝集流体内阻随电池直径变化的关系如图2b，正负极非活性组件高度不随电池直径变化（图2c），集流体热阻与电池直径变化的关系如图2d。图2电池外型尺寸与对应参数的关系电池直径对能量密度的影响由于电池的横截面积与电池直径呈二次关系，因此图3a)和b)中的电极长度也是和直径的具有二次函数关系。但是，随着卷芯核心直径、壁厚的增加而减小，电极长度并不完全与电池直径dcell的平方2成比例。同样的原因，绕组数量也不完全与电池直径成线性关系，而是与电池直径与非活性卷芯核心直径和壁厚之间的差值有关。因此，在分析体积能量密度、体积效率和重力能量密度时，如图3c)-f)，对于相同的高度，由于壁和空核心面积的比例减小，能量密度随着更大的直径而增加。总的来说，更大的电池直径不仅有利于成本降低，还有利于体积和重力能量密度提升。电池高度对能量密度的影响图3a)和b)中的电极长度和绕组数量与电池高度无关，而仅由结构元件的横截面决定。然而，涂层高度由电池高度决定，因此，从图3中可以得出结论：对于假设的生产技术，圆柱形电池随着高度的增加会获得体积能量密度、体积效率和重力能量密度的提升。这种增益随着电池高度和涂层高度之间的比率的增加而收敛。因此，高度越小的电池就越能受益于增加高度。这很可能是宝马和许多电池制造商决定开发4690、46120等高度增加的电池的原因。图3全极耳电池的几何和能量与电池直径的函数关系，左：铝制外壳，右侧：钢制外壳。a）和b）电极长度和卷芯绕组数、c）和d）体积能量密度和体积效率、e）和f）质量能量密度与电池直径的函数。每条曲线表示一个高度。外壳材质对能量密度的影响图3中的分析可以分为两种影响：铝壳和钢壳两种材料的影响。一般来说，对于相同尺寸的钢制电池，电极长度和绕组数量较大，因为它们的壁厚较薄，而为了保持壳体的耐压强度，铝壳需要的壁厚更大。根据本研究的模型假设，4680铝制电池能够提供676.0Wh/L的体积能量密度，而相同尺寸的钢制电池仅提供694.8Wh/L的体积能量密度，钢壳电池增加了约2.8%。根据公式计算，铝壳和钢壳电池的体积效率分别为79.35%和81.55%。然而，图3e)和f)中质量能量密度的比较显示出相反的结果。尽管钢制电池的外壳厚度仅为铝制电池的0.55-0.65倍(图3a),但钢的密度几乎为铝合金外壳的3倍。因此，钢壳电池的外壳绝对重量在铝壳的1.65-1.95倍之间。由于上述原因，4680铝制电池提供272.6Wh/kg的质量能量密度，而相同尺寸的钢制电池仅提供244.5Wh/kg的质量能量密度。因此，与铝壳电池相比，钢壳电池的质量能量密度降低了约10%。参考文献：H.Pegeletal.Influenceofcelldimensionsandhousingmaterialontheenergydensityandfast-chargingperformanceoftablesscylindricallithium-ioncells，EnergyStorageMaterials60(2023)102796来源：锂想生活