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动力电池的宏观结构设计

新能源电池圈 | 原名听风扯淡 2020/11/13 17:23

形状(shape)、容量(size)与比例(scale)是动力电池宏观结构中最为重要的设计参数

形状设计

在电池发展过程中,动力电池演化出了三种典型的封装形状,分别为圆柱卷绕式、软包叠片式和方形卷绕式。

圆柱卷绕式电池的优点包括生产工艺成熟、产品良率高、规格型号统一和整体成本有优势,但同时其缺点也比较明显,成组后散热不好,比能量低;

软包叠片式电池具有外形设计灵活、重量轻、内阻小、比能量高等多方面突出优势,不足之处在于生产制作效率低、成本高、机械强度差、一致性差等;

方形卷绕式电池结合了软包叠片式的外观特征(但往往厚度更大)和圆柱卷绕式的极板组合方法,采用铝合金或不锈钢制壳体,对电芯的保护作用好,不足之处在于卷芯与壳体的装配设计复杂、型号规格不统一等缺点。

在对电动车使用的电池单体进行形状设计时,不仅应考虑某一形状对单体性能的影响,还需要根据车辆给予电池系统的总体空间大小,对单体形状进行灵活的选定。

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李平等对17款车用动力电池形状进行了统计。其中47%的电池采用了方形铝壳式结构,41.2%的电池采用了软包叠片式结构,11.7%的电池采用了圆柱卷绕式结构。在其应用方面,宝马i3采用大容量96Ah的方形电池,日产LEAF采用大容量33.1Ah的软包电池,TeslaModelS采用小容量3.4Ah的18650卷绕式电池。

为提高电动汽车续航里程,动力电池需持续提升能量密度,一个关键节点便是2020年达到300Wh/kg的指标。目前看来,软包构型电池因其设计灵活、内阻小、能量密度高等先天性的优势似乎在“形状之争”上逐渐占据上风。

众所周知,承担国家科技部300Wh/kg高能量密度重大科技专项三家电池企业(CATL、国轩高科和天津力神)均采用了三元软包的技术路线。且目前为止,这三家企业正在开发的三元软包电池能量密度都达到了300Wh/kg。从国际车企的应用来看,也是三种路线并存的。动力电池形状技术路线的选择与公司及其主要合作伙伴的技术背景,公司对车型的市场定位等因素密切相关,故目前还无法对此盖棺定论。

容量设计

单体电池容量的确定是动力电池结构设计的一个重要话题。对于圆柱和方形卷绕式电池,可通过设计卷绕圈数和电极面积来确定单体容量,而软包叠片式电池则可通过设计叠片数和电极面积的方法来调整单体容量。

无论何种构型电池,当单体容量较小时,电池组内单体数量过多,连接件上的损耗大,管理系统复杂,成本增加;而当单体电池容量过大时,单体电池内部热特性、电特性、老化特性等分布较为不均匀,单体出现安全事故的可能性增加。

单体电池最优容量的影响因素十分复杂,与生产工艺中的可行性、单体间连接方式、电池系统总容量、电池用途等密切相关,往往必须在综合考虑各方面因素后才能确定相关文献对电池容量增减前后的性能变化进行了较为细致的考量,试图给出容量确定的科学依据。

Al-Hallaj与Selman采用圆柱电池的一维径向模型,比较了长径比相同的10、30、50和100Ah等不同容量圆柱卷绕式电池在放电过程中的径向温度分布。仿真结果表明,电池尺度等比放大后,其同一放电倍率下的最高温升明显增加。当电池容量从10Ah扩大至100Ah时,其C/2放电倍率下的最高温升增长了10以上。

Chen等通过仿真方法比较了相同长径比的圆柱卷绕式电池等比放大后的温度分布情况。结果表明电池容量从0.08Ah放大到106.48Ah后,3C放电过程中电池内部的最大温升增加了近40℃,最大温差增加了近15℃。

比例设计

在确定了电池的形状和容量后,还需确定电池不同尺度的合理比例。如软包叠片式电池的电芯是由多层极片堆叠而成,比例设计参数包括电芯尺寸参数(长宽厚),极耳尺寸参数(长宽厚)、极耳布置参数(同侧/对侧放置、长边/短边放置)等。卷绕式电池与软包叠片型电池相比,可以在集流体上布置多个极耳,因此极耳个数也是一个设计参数。Kim等通过仿真模型考察了软包叠片式电池极耳的尺寸、位置和电极面积对电池的电流密度分布、荷电状态(SOC)分布和温度分布的影响。结果表明,极耳于电芯的对侧放置可以显著降低放电过程中的温度差异,而减小极耳尺寸和增大极片面积则会增大电芯内的温度差异。

吴彬基于软包叠片式电池展向温度分布的分析解进行了电池的热设计优化。考察了在同侧布置极耳和对侧布置极耳这两种主流布置方案下,电芯的长宽比和极耳位置对电芯上的最高温度和温度分布的影响。

对于同侧极耳布置方案,极耳位置和电芯长宽比均存在最优的取值。通过同时优化极耳位置和电芯长宽比,可使电芯的最高温度下降1.5℃,而温差下降了约2℃。对于对侧极耳布置方案,极耳在中间布置时的热特性最佳。通过同时优化极耳位置和电芯长宽比,可使电芯的最高温度和温差均降低约2℃。

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Inui等比较了方形电池在不同长厚比情况下的温度分布,结果表明扁平(长厚比大)的电池在放电过程中的最高温度明显低于长厚比小的电池。

Zhao等基于方形卷绕式电池的三维几何模型,研究了极耳的位置和数量设计。他们发现若在正负极端部上仅布置一个极耳,电子将会在集流体上经过较长的距离被极耳所汇集,导致了欧姆内阻的增加。同时,由于不均匀的电极电势分布和电化学反应速率分布开始不均匀分布。而布置多个极耳,则显著降低了集流体上的欧姆阻抗,提升了电池的倍率性能。

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Lee等对一款20Ah圆柱卷绕式电池的极耳个数和位置进行了优化分析。结果表明,增加极耳个数,有利于提高电池内部产热、电子传导和电化学反应动力学分布的均匀性。对产热项进行分解后发现,随极耳个数的增加,集流体上的电流密度分布趋向均匀,欧姆产热率大大降低,因此电热特性得到改善。但布置多极耳会增加制造和加工的成本,并降低电池的可靠性。

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可以看出,极耳是动力电池比例设计的一个重点研究方向,极耳尺寸、数量和位置的选取往往与电池类型和用途有关。以圆柱卷绕式电池为例,下表汇总了不同厂家的多款电池的极耳布置方式。

对于能量型电池,一般于正负极上布置单极耳。正极耳一般布置1个,位置距极片最内侧1/4、1/3、1/2等多处;而设计负极耳时,除一款2.65Ah 18650电池在负极两端均布置极耳外,其他电池仅在负极最外端布置单极耳;对于功率型电池,一般采用多极耳布置,典型的如松下3.3Ah20700电池,在正极布置两个极耳,位置分别为距极片最内侧1/4和3/4处。在卷绕式电池构型中,能量型电池由于放电倍率低,可采用单极耳设计以降低电池重量和成本。

但是对于功率型电池,一般需在集流体上布置多个极耳,甚至采用全幅极耳设计(指电极边缘留有完整的空白集流体),以降低集流体上的欧姆损耗,提高电池倍率性能。

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值得注意的是,从产品开发的角度来看电池的比例设计,电芯尺寸的部分参数上既需要满足客户要求,也需要遵循相关的电芯规格尺寸行业标准,比如国际上常用的德国汽车工业联合会(VDA)标准和我国的GB/T34013-2017标准。由于圆柱和方形电池的极耳处于电池的内部,与极柱进行焊接,所以这类电池的极耳设计比较容易实施。软包电池的极耳则处于电池的外部,其尺寸和布置位置需要厂家结合客户群体的需求形成自己的内部标准,从而有利于软包电池的规模化生产,降低成本。

高比能量电池设计

根据2017年工信部发布的《中国汽车产业中长期发展规划》,2020年动力电池单体能量密度需达到300Wh/kg该指标的提出对动力电池设计提出了具体的方向和要求。提升单体电池能量密度的途径很多,可从微观电极和宏观结构两方面,活性组分、非活性组分、容量、电极涂层等多个角度进行设计优化,下表为高比能量电池的相关设计思路。

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提高活性材料的克容量是提升电池能量密度最直接和最主要的方式。下表列举了当前不同厂商所采用的不同材料体系下高比能量电池的研究现状。可见随正极活性材料中镍含量增加或高电压,以及负极材料由常规石墨转为硅碳,活性材料克容量的提高显著提升了单体电池的能量密度。为达到2020年300Wh/kg的能量密度指标,从材料体系设计来说,正极选择高镍三元材料,负极选择硅碳材料已经成为了产业界的共识。

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非活性组分即辅材的设计也是提升电池能量密度的一个方面。选择高黏度的黏结剂和高导电性的导电剂,以降低辅材比例来提高主材的占比,对能量密度也有一定的提升。另一方面,在结构设计上可减轻箔材、隔膜、封装件(选择软包叠片式构型)等辅材的厚度和重量,但需注意箔材厚度的减薄对箔材强度的影响较大,需在工艺生产上谨慎对待。

值得注意的是,随着高镍材料的运用,正极颗粒表面活性较高容易产气且易形成颗粒内部微粒纹,同时负极采用硅基材料,对电解液的消耗较大,且材料在充放电时的膨胀收缩,导致固体电解质膜破裂重整会继续消耗电解液。针对高镍--硅基体系的高能量密度电池,电解液需要进行优化。同时高能量密度电池带来的体积能量上升,在充放电过程会伴随电池膨胀收缩和热量急剧上升,对隔膜的各方面要求会越来越高。在开发高能量密度电池过程中,需要选择一些针对高镍三元-硅碳开发的电解液,并选择耐热性更好、机械强度更高的隔膜。

提升单体电池的容量也可提升能量密度,但该法对生产线和工艺的要求较高,且当电池单体容量过大时,其内部热特性、电特性、老化特性等物理量的分布较为不均匀,增加了电池出现安全事故的可能性。单体电池最优容量的确定与生产工艺、单体间连接方式、电池用途等密切相关,需综合考虑后才能确定。

此外,对微观电极的设计优化也是提升单体电池能量密度的一个角度。提高电极的面密度可降低单体电池上辅材的占比,但面密度不宜过大,否则极片过厚,一定程度上影响电池的倍率性能和热安全性,且也会对生产工艺(辊压)带来较大的挑战。另一方面,减小孔隙率(提高压实密度),可减少多孔电极中电解液的含量,间接地降低电池重量以提高能量密度,但孔隙率的减小也同样对电池的倍率充电性能和温升的影响较大,需谨慎设计。

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