特斯拉（Tesla）的“電池日”（Battery Day）宣布了一項重要的宣布：一款臺式鋰離子電池。與傳統(tǒng)單元相比，該體系結(jié)構(gòu)有什么優(yōu)勢？

在特斯拉最近的電池日上，該公司宣布了埃隆·馬斯克（Elon Musk）所說的圓柱形電池的“大規(guī)模突破”。為了評估該說法的有效性，重要的是首先了解傳統(tǒng)圓柱形鋰離子電池的缺點。

圓柱形鋰離子電池使用幾種不同的化合物層來存儲能量。如下所示，將片狀陽極，隔膜和陰極夾在中間，卷起，然后包裝成圓筒形罐。陰極和陽極中的每個電極都使用稱為“接線片”的小型金屬組件，以連接到電池罐的正負極。

常規(guī)電池的內(nèi)部架構(gòu)。圖片由Peter Miller提供

小型鋰離子電池展現(xiàn)出高功率和能量密度。對于電動汽車應(yīng)用必不可少的大型電池，我們需要更大的陽極和陰極片。這提出了一些挑戰(zhàn)。在本文中，我們將研究這些挑戰(zhàn)以及特斯拉的新電池如何解決這些問題。

一對選項卡可能不足

有幾種現(xiàn)象使我們無法實現(xiàn)大型陽極和陰極電極可以提供的潛在性能。這是由于以下事實：在陽極和陰極較大的情況下，電子需要傳播更長的距離，如下圖所示。

如果僅使用一對凸片，則未纏繞的陽極和陰極電極以及電子應(yīng)行進的路徑。圖片由Wei Zhao等提供。

路徑的歐姆電阻會導(dǎo)致功率損耗，從而導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)熱。

此外，電流選擇了電極平面中阻抗最小的路徑，因此，電流分布不均勻。電流分布不均勻會導(dǎo)致涂覆電極的活性材料利用率不均勻。

換句話說，對于較大的電池單元，使用了大量的活性材料，但是這些材料的平均利用率低于較小電池單元中的平均利用率。為了解決這個問題，我們可以沿電極采用多對凸耳，如下所示。

具有多對標(biāo)簽的單元格的描述。圖片由Wei Zhao等提供。

這將電極區(qū)域劃分為較小的區(qū)域，從而增加了活性材料的平均利用率并縮短了電子傳播的路徑。

Tabs提出了幾個挑戰(zhàn)

接線片是焊接在電極上的金屬部件。接線片的制造具有挑戰(zhàn)性，并且會影響電池的可靠性和性能。例如，焊接毛刺可能會穿透正極和負極之間的分隔層并導(dǎo)致內(nèi)部短路。

有趣的是，可以使用X射線計算機斷層掃描（CT）掃描來評估這種制造缺陷。帶有焊接毛刺的電池的CT掃描如下所示。

毛刺的圖象在當(dāng)前收集選項卡的。圖片由X. Yao等提供。

這種制造缺陷可能導(dǎo)致電池起火和爆炸。

此外，標(biāo)簽的正確位置至關(guān)重要。充電和放電電流流過接線片，并使接線片周圍區(qū)域的溫度顯著提高到比電池其他部分高得多的水平。

產(chǎn)生的熱量會使電極片周圍的電極材料分解，并影響電池性能，循環(huán)壽命和安全性。為了解決這個問題，我們需要使標(biāo)簽之間保持一定距離。從成本方面來說，接線片可能不是理想的選擇，因為接線片焊接增加了電池生產(chǎn)的額外步驟，從而增加了成本。

特斯拉的桌子電池

盡管特斯拉專利的詳細說明不在本文的討論范圍之內(nèi)，但“臺式電池”的基本思想是通過沿電極延伸的導(dǎo)電部分實現(xiàn)常規(guī)的接片功能。

新的臺式鋰離子電池的結(jié)構(gòu)。圖片由Tesmanian和限制因素提供

通過這種表格設(shè)計，電子應(yīng)行進的最大距離是電極的高度，而不是傳統(tǒng)的帶標(biāo)簽電極的長度。電極的高度僅為其長度的5-20％。因此，電子所面對的歐姆電阻，從而內(nèi)部產(chǎn)生的熱量將大大減少。

另外，在桌子電極上的電流分布將是均勻的。通過這種方式，避免了可能引起有害化學(xué)反應(yīng)的過大電位的局部熱點，從而延長了電池的使用壽命。

像玫瑰一樣的電池可減少熱量

新設(shè)計不僅由于其較低的歐姆電阻而產(chǎn)生較少的熱量，而且還具有更好的傳熱性能。在常規(guī)設(shè)計中，所產(chǎn)生的電流流經(jīng)占據(jù)小面積的接片，因此，接片周圍區(qū)域的溫度顯著升高。

通過表格設(shè)計，電極的整個邊緣負責(zé)電流（和熱量）的傳遞。傳熱發(fā)生在與電池筒底部一樣大的區(qū)域。將新電池的正極和負極片卷起來時，其兩端會形成玫瑰狀的皺褶。

臺式電池的描述。屏幕截圖由特斯拉提供

上面討論的優(yōu)點使Tesla可以從Model 3和Powerwall中使用的2,170個單元（21毫米乘70毫米）發(fā)展到更大的4,680個單元（46毫米乘80毫米），而不必擔(dān)心性能下降和傳熱問題。特斯拉希望這些新電池能夠在大約三年內(nèi)使25,000美元的特斯拉汽車成為現(xiàn)實。