当下，哪种形态的电芯最适合新能源汽车应用还是热议的话题。对于汽车制造商 (OEM) 而言，了解不同电池形态的特性和优缺点至关重要，只有这样才能对哪种电池最适合他们的特定应用做出明智的决定。随着汽车动力电池领域技术的快速发展，为了未来的项目不断重新评估过去的选择是十分必要的，对以往选择使用软包电池或方形电池的OEM来说尤为如此。

自从Tesla 宣布其 4680 电池采用无极耳结构以来，圆柱形电池受到了越来越多的关注。Panasonic、LG Chem、Samsung SDI 和比克电池等电池制造商已经确认正在进行 4680 型圆柱电池的原型开发。然而，锂电池制造商们仍面临技术难题，大规模生产可能要到 2023 年才会开始。德国电池制造商 Varta AG 宣布推出基于“创新箔密封设计”的 21700 电池，该电池具有显著降低的内阻和改进的散热性能，可在 6 分钟内充满电。最近，特斯拉向客户交付了第一批配备无极耳 4680 电池的 Model Y 车辆。

大圆柱电池的应用是未来趋势之一，整车厂商是否选对电池形态尤为重要，甚至决定了在未来是否能保持竞争优势。此外，大圆柱电池优化了能量、充电时间、安全性和生产成本等重要关键性能指标，对其广泛应用有助于加快汽车电动化进程。因此，了解在所有相关条件下具有新型极耳设计的圆柱电池的特性和性能非常重要。

许多领先的电池制造商投入大量资源开发具有创新极耳设计和更大直径的圆柱形电池，这一事实清楚地表明了全极耳大圆柱电池的巨大潜力。由于车辆开发是一个多年的过程，OEM 们必须密切关注这一点，并决定其他形态的电池是否能跟上未来的大圆柱形电池。否则，一旦他们做出错误的选择并决定使用落后的电芯形态，就有可能落后于其他竞争对手。此外，选择充分优化了能量、充电时间、安全性和生产成本等重要关键性能指标的最佳电池形态并对其广泛应用，有助于加快汽车电动化进程。因此，了解在所有相关条件下具有新型极耳设计的圆柱电池的特性和性能非常重要。

Lee 等人早在 2013 年就计算了带有不同数量极耳的大圆柱形电池沿各个方向的电流和温度的不均匀性。他们表明，增加极耳数量会显著降低沿卷芯圆周方向的电流和温度不均匀性。采用完美的无极耳设计，电流几乎完全沿轴向流动，而圆周方向的电流变得可以忽略不计。Li 等人是第一个扩大了极耳设计研究范围，将电池壳体的影响考虑其中的人，并报告说壳体对热-电表现有重大影响。然而，他们的研究模型基于单极耳的商用18650 电池，并且没有考虑无极耳电池的实际几何结构。

Sturm等人研究了具有不同极耳数量的 18650、21700 和 26650 电池的不均匀性和快速充电能力，并比较了预先确定的恒定电流和多步电流曲线。在最近的一项研究中，Tranter 等人已经估计了在预先给定的电流工况下，沿圆柱形 4680 电池的径向和圆周方向的电流和温度不均匀性，并指出，对于大电池直径，某种形式的极耳设计是必不可少的，否则会加剧圆周方向的欧姆损耗。然而，由于他们选择了横截面的 2D 方法，所以没有考虑电池的轴向尺寸，而且他们不得不依赖基于 Tesla专利的无极耳设计属性的理论假设。正如 Tranter 等人所讨论的那样，他们没有考虑箔材与壳体之间的连接以及制造过程的影响，因而需要进一步研究。

总之，以前关于具有创新极耳设计的圆柱形电池的热-电表现的研究不得不完全依赖数值方法，要么没有使用真实的电池几何结构进行验证，要么无法获得成熟的无极耳电池而只能使用老式的单极耳电池。此外，研究者仅使用来预定的电流制式来计算热和电的不均匀性，并且没有根据局部析锂风险计算和验证快速充电时间。最重要的是，所有现有研究都没有考虑新的极耳连接和焊接工艺所带来的独特设计和几何特性。

尽管长期以来人们都知道无极耳电极设计的重大优势，但将近十年的时间过去了，现在才走到了大规模生产的前夕。改进的极耳设计和更大的电池尺寸为工程师们提供了设计圆柱形电池组的多种新的可能性，而这些电池组尚未得到详细研究。

02 成果掠影

关键词：锂离子电池；大圆柱；全极耳；快充；冷却和加热策略

德国亚琛工业大学 Hendrik Pegel 团队使用专为汽车高性能应用制造的具有新颖全极耳设计、最先进的高镍阴极和 SiOx-C 阳极的圆柱形锂离子电池，参数化建模并进行对大圆柱形电池性能的研究，全极耳大圆柱电芯由国内锂电企业比克电池提供。重点关注对全极耳设计内部热路径的准确建模和验证，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。文中空间分辨的理化模型在 −20°C 至 65°C 的温度范围内，通过来自多个不同测试设置的实验数据得到了广泛验证。探究了几种条件下电芯的最优化充电时间和热管理策略，使得在电芯不发生析锂的前提下：在 20°C环境下，可11分53秒内将电池从10%充到80%；在零下 20°C环境下，可将10%-80%的快充时间优化到 15分58秒的水平。这些发现为行业提供了大圆柱形电池从 10 % 充电状态到 80 %充电状态不到 12 分钟的快速充电性能的展望。

• 用于空间分辨电芯建模的热-电-电化学耦合框架是基于最先进的全极耳大圆柱电池开发的。

• 在 −20°C 至 65°C 的温度范围内对模型进行一般验证，通过在具有自由对流和液体冷却板的环境箱中循环电池来完成，重点捕捉创新极耳设计的真实属性。

• 基于包括最小阳极电压、最大电池电压、最大活性材料温度和最大充电电流在内的一组物理边界，电流控制器被用于计算充电曲线。

• 通过实验验证最大负载和实际操作条件下的充电曲线和空间温度分布，并使用真实的液体冷却板装置，应用不同的技术来验证和证明在使用优化的快速充电协议充电时没有发生析锂。

• 经过验证的模型用于研究最佳热管理策略作为环境和起始温度的函数，以得出关于最佳冷却和加热的一般陈述，这些陈述总结在我们的“冷却和加热图”中。使用得出的最佳热管理得到的快速充电时间，在电动汽车应用的整个温度范围内提供了对未来全极耳大圆柱电池性能和潜力的展望。

相关成果以“Fast-charging performance and optimal thermal management of large-format full-tab cylindrical lithium-ion cells under varying environmental conditions”为题发表于《Journal of Power Sources》期刊。是锂电池行业内首篇使用真实商业化的全极耳大圆柱电池验证数字模型结论的文章。

03 图文导读

使用专为汽车高性能应用设计的具有 10 Ah 容量和最先进的 LiNi_xMn_yCo_zO₂ (NMC, x > 0.8) 阴极和 SiO_x-C 阳极的圆柱形电池来参数化和验证建模框架，该电池由制造商比克电池（中国深圳）直接提供，用于进行科学研究。除非另有说明，否则所有测试均在 2.5 V 至 4.2 V 的工作电压范围内进行。

图1 电池示意图。

电池的示意图如图 1（a）所示。为增强散热性能，电池壳体由带有激光焊接端盖的精抽铝管制成。

卷芯由带有连续伸出部(overhang)的集流体箔材卷绕而成。铝和铜的伸出部(overhang)连接到两侧的集流板上，这使得电流能够在整个体积中沿轴向方向流向集流板，而不必沿着每层的螺旋曲线沿圆周方向行进。阴极集流板进一步连接到电池壳的底部，阳极集流板通过额外的焊接金属连接器连接到中央端子。

Tesla专利本身描述了不同“子类型”的无极耳圆柱形电池，这些电池利用例如膨胀力、激光焊接和/或超声波焊接将箔伸出部(overhang)连接到底部以及底部表面的轮廓形状的同心凹槽。然而，除此之外，对于无极耳电芯的科学分类，还没有普遍的共识。因此，本文中使用的参考电芯的极耳设计被称为“全极耳”，因为它不直接属于Tesla专利的范畴，并为了强调将会有各种不同的电池设计和生产技术方法，所有这些都需要详细探讨，并且都有其独特的优点和缺点。

图2 电池模型验证。

作者设计了一系列实验来探究电池在各种状况下的表现、析锂的判定指标、快充策略的边界等；更重要的是，作者基于真实的全极耳大圆柱电芯的各项指标，建立了热-电-电化学耦合模型，并通过与实际的测量数据对比，在很宽的区间内验证了该模型的准确性。作者基于该模型，探究了几种条件下，通过电池管理系统的冷却、加热与电芯配合，电芯的最优化充电策略，使得在电芯不发生析锂的前提下，获得最短的充电时间。

图3 快速充电验证。

图4 最佳冷却控制。

图5 低于−8.5℃最佳加热控制温度。

图6 加热功率灵敏度。

图7 最佳冷热结合使用。

一些关键内容：

• 快充边界的确定：上限电池电压4.2V、上限电池温度60°C、下限阳极电压20 mV vs. Li/Li⁺、最大电流计算为 4.25 C（假设电池系统为 800 V, 由2604 个电芯 14P186S组成, 共95 kWh 能量，充电站的最大电流为 595 A）。

• 在快充策略的探究中，作者使用了3种方法(电压弛豫法、循环保持率法和差分电压法)来确保阳极没有析锂现象的产生。

• 作者首先分别研究了在不同温区下，电池系统的冷却与加热的最佳介入策略，并给出优化后的结果：最佳的冷却策略可在20°C环境下11分53秒内将电池从10%充到80%；最佳的加热策略可在-20°C内将10-80%的快充时间优化在15分58秒的水平。

• 最后作者结合了冷却与加热，给出了一张非常有趣的“冷却和加热图”，相信会给电池系统与电芯的开发者相当有价值的启发。

图8 电池底部冷却和底部加热的冷却-加热图。

04 结论

本文开发了一种基于大圆柱形电池的空间分辨热-电-电化学框架，实验应用的电池具有新颖的全极耳设计、最先进的高镍阴极和 SiO_x-C 阳极，并在-20°C 至 65°C的宽温度范围内进行了广泛验证。基于该模型，用一组边界（包括最小局部阳极电压和最大活性材料温度）下的电流控制器来计算快充曲线。根据计算的电流方案对电池进行循环，结果显示计算和测量的电压和温度之间具有良好的一致性。此外，许多指标可以证明在快速充电过程中没有发生析锂。随后对最佳热管理策略的理论研究表明，对于介于 -8.5°C 和 25°C 之间的温度范围，存在优化的冷却策略，可最大限度地减少充电时间。冷却应在该温度范围内尽可能晚地开启，以在活性材料局部达到温度边界之前允许必要的梯度发展。对于高于 25°C 的高温，应立即开启冷却，以最大限度地减少电流完全受温度限制的时间。在低于 −8.5°C 的低温下，不需要冷却，因为热容量会吸收所有产生的热量，而不会到达温度边界。相反，尽可能长时间地加热电池以准确达到温度边界可以缩短充电时间。起始温度越低，这种改善就越明显。

一项敏感性研究表明，即使注入电池的总热量保持不变，更多的加热功率也会进一步缩短充电时间。这是因为电池加热得越快，电流增加和自热增加之间的正反馈回路就越强。此外，研究表明，在特定情况下，存在先加热后冷却的相互作用以进一步优化充电时间的情况。结果总结在“冷却和加热图”中，为工程师提供了一个有用的工具来设计汽车应用的热管理系统。

通过最佳的热管理，本文所研究的电池实现了不到 12 分钟从 10% 充电到 80% SOC 的快速充电时间，这显示了成熟的全极耳大圆柱电池的巨大潜力。事实证明，在不同环境条件下，对于给定电池的智能热管理有可能通过简单地理解和利用潜在物理现象与几何方面的相互作用来显著优化充电时间。