JPS：大型全极耳圆柱形锂离子电池在不同环境条件下的快速充电性能和最佳热管理

01【导读】

各大汽车制造商已经宣布在未来几代汽车中使用具有创新极耳设计的大型圆柱形锂离子电池。改进的极耳设计和更大的电池尺寸为工程师设计圆柱形电池的电池组提供了各种新的可能性，但这种可能性尚未得到详细研究。

02【成果掠影】

近日，德国亚琛工业大学Hendrik Pegel等人采用了一款专为汽车高性能应用而设计的具有新颖的全极耳设计、先进的富镍正极和SiO_x-C负极的圆柱形锂离子电池，用于参数化建模并研究大型圆柱形电池的性能。作者非常重视对增强型极耳设计的内部热路径进行精确建模和验证。这对于有效的热管理来说至关重要，并且是全极耳电池相比以前的单极耳电池的最大优势之一。空间分辨的物理化学模型在-20°C至65°C的温度范围内通过多个不同测试设置的实验数据进行了广泛验证。经验证的模型用于研究在不同环境条件下基于局部负极电压和析锂风险的最佳快速充电时间和热管理策略。这些发现总结在一个通用的冷却和加热图中，该图对大型圆柱形电池从10%到80%充电状态的快速充电性能进行了展望。

相关研究文章以“Fast-charging performance and optimal thermal management of large-format full-tab cylindrical lithium-ion cells under varying environmental conditions”为题发表在Journal of Power Sources上。

03【核心创新点】

本文旨在剖析采用创新极耳设计的大型圆柱形电池的特性、性能和整体潜力。

04【数据概览】

图一、电池和模型概述。上图:(a)参考电池的结构组件，采用全极耳设计和富镍NMC/SiO-C化学，用于参数化和验证建模框架，(b)电气和热离散化的示意图。下图:Cu集流体的电离散化，(c)示例性电池横截面和卷绕的电池卷的轨迹计算为具有任意层厚度和元件边界(黑色)的阿基米德螺旋，(d)放大到电池芯中的视图和具有恒定角度但不同弧长Si的圆周方向上的元件离散化，(e)未卷绕的Cu集流体，具有圆周和轴向上的离散化以及箔突出部分和负极端之间的电路径的轴向上的附加电阻R_Cu,ser。© 2023 Elsevier

图二、模型验证。(a)自由对流。左图:带有温度传感器位置的测试设置示意图(红色)。上排:电池电压，下排:在不同电流和环境温度下恒定电流放电的测量值(实线)和模拟值(虚线)中间高度的表面温度。(b)冷却板。左:带温度传感器位置的测试设置示意图(红色、洋红色、蓝色、黑色)，中间:所有传感器位置的温度对冷却板温度变化的热阶跃响应，右上一行:电池电压，右中一行:负极端温度(红色)，右下一行:恒流充电和放电的电池罐底部温度(洋红色)。(c)使用参比电极的实验电池测试的电池电压和阳极电压。© 2023 Elsevier

图三、快速充电方案的验证。(a)电池和阳极电压的测量值(实线)和模拟值(虚线)以及(b)负极端(红色)和电池罐底部(洋红色)的温度和电池电流。(c)用高达10 C的电流充电后实验全电池的电压弛豫和(d) dV/dt图，(e)每个快速充电循环后圆柱形电池的电压弛豫和(f) dV/dt图。(g)10次快速充电循环前后的C/10放电和(h) DVA。所有证据表明，快速充电期间没有发生锂电镀。© 2023 Elsevier

图四、最佳冷却控制。上面一行:电池和阳极电压，中间一行:使用不同底部冷却的充电曲线的温度和电流。(g)充电时间是冷却系统开启时活性材料最高温度的函数，每条线代表不同的起始温度。(h)作为冷却控制功能的充电时间与立即开启冷却的时间之比。(g)和(h)显示，在某些情况下，充电时间会因后期冷却而缩短，并且存在明显的最佳值(-5°C至20°C)。在某些情况下，后期冷却会导致充电时间缩短(25°C至40°C)。© 2023 Elsevier

图五、温度低于-8.5°C时的最佳加热控制。上面一行:电池和阳极电压，中间一行:不同底部加热使用情况下充电曲线的温度和电流。(g)充电时间，作为加热关闭时最高活性材料温度的函数，每条线代表不同的起始温度。(h)与完全不加热相比，作为冷却控制函数的充电时间的比率。(g)和(h)表明，在所有情况下，额外的加热有利于充电时间。© 2023 Elsevier

图六、 (a)和(c)电池电压和阳极电压，以及(b)和(d)对于1.226 kJ的恒定总热能输入，具有2 W和8 W加热功率的充电曲线的温度和电流。(e)和(f)充电曲线的内上环和外下环上的温度，以及(g)加热功率在0 W(不加热)和8 W之间时的电池电流，(h)绝对充电时间和(I)相对于不加热时作为加热功率的函数的相对充电时间。(h)和(I)表明，在总热能输入不变的情况下，加热功率的增加是有益的，但收敛很快。有限的热导率延迟了热量流向冷点(内上环，f )，降低了较大加热功率的益处。© 2023 Elsevier

图七、(a)和(c)电压以及(b)和(d)温度和电流，适用于10°C的起始温度以及不同的冷却和加热用途。(e)和(f)分别是外下环和内上环上的温度，以及(g)加热关闭时不同最大活性材料温度下的电池电流。(h)绝对充电时间和(I)相对充电时间，作为加热关闭时活性材料温度的函数。(h)和(I)表明，一些曲线从组合加热和冷却中获益较少。© 2023 Elsevier

图八、(a)作为起始温度的函数的加热、冷却以及组合加热和冷却的最佳热管理。(b)绝对充电时间，假设应用最佳热管理作为起始温度的函数。(a)和(b)可以被分成不同的区域，在这些区域中应该应用不同的最佳热管理策略。© 2023 Elsevier

05【成果启示】

总之，通过理解和利用潜在物理现象与几何方面的相互作用，不同环境条件下给定电池的智能热管理具有显著优化充电时间的潜力。

原文详情：Hendrik Pegel,Dominik Wycisk, Alexander Scheible, Luca Tendera, Arnulf Latz, Dirk UweSauer. Fast-charging performance and optimal thermal management of large-format full-tab cylindrical lithium-ion cells under varying environmental conditions. Journal of Power Sources 2023, 232408.

https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2022.232408

本文由景行供稿