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特斯拉的Tabless電池做了哪些突破

汽車電子工程知識(shí)體系 ? 來源:汽車電子硬件設(shè)計(jì) ? 作者:booksoser   ? 2021-03-18 14:51 ? 次閱讀

特斯拉Tesla)的“電池日”(Battery Day)宣布了一項(xiàng)重要的宣布:一款臺(tái)式鋰離子電池。與傳統(tǒng)單元相比,該架構(gòu)如何?

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(píng)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(diǎn)。圓柱形鋰離子電池使用幾種不同的化合物層來存儲(chǔ)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。陰極電極和陽極電極中的每一個(gè)都使用稱為“接線片”的小型金屬組件,以連接到電池殼的正負(fù)極。

常規(guī)電池的內(nèi)部架構(gòu)。

小型鋰離子電池展現(xiàn)出高功率和能量密度。對(duì)于電動(dòng)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。這提出了幾個(gè)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(duì)Tab可能不足

有幾種現(xiàn)象使我們無法實(shí)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(shí):在陽極和陰極電極較大的情況下,電子需要傳播更長(zhǎng)的距離,如下圖所示。

如果僅使用一對(duì)凸片,則未纏繞的陽極和陰極電極以及電子應(yīng)行進(jìn)的路徑。

路徑的歐姆電阻會(huì)導(dǎo)致功率損耗,進(jìn)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(huì)導(dǎo)致涂覆電極的活性材料利用率不均勻。

換句話說,對(duì)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(gè)問題,我們可以沿電極采用多對(duì)凸耳,如下所示。

具有多對(duì)Tab的描述。

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。

Tab提出了幾個(gè)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(huì)影響電池的可靠性和性能。例如,焊接毛刺可能會(huì)穿透正極和負(fù)極之間的分隔層并造成內(nèi)部短路。

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

毛刺的圖象在電流收集Tab的。

這種制造缺陷可能導(dǎo)致電池起火和爆炸。

此外,Tab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(huì)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(gè)問題,我們需要使Tab之間保持一定距離。在成本方面,拉環(huán)可能不是理想的選擇,因?yàn)槔h(huán)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Tabless電池

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

新的臺(tái)式鋰離子電池的結(jié)構(gòu)。

通過這種Tab設(shè)計(jì),電子應(yīng)行進(jìn)的最大距離是電極的高度,而不是傳統(tǒng)的帶Tab電極情況下的長(zhǎng)度。電極的高度僅為其長(zhǎng)度的5-20%。因此,電子面對(duì)的歐姆電阻,從而內(nèi)部產(chǎn)生的熱量將大大減少。另外,在Tabless電極上的電流分布將是均勻的。這樣,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(diǎn),從而延長(zhǎng)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(jì)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(jì)中,所產(chǎn)生的電流流經(jīng)占據(jù)小面積的接片,因此,接片周圍的區(qū)域的溫度顯著升高。

通過Tab設(shè)計(jì),電極的整個(gè)邊緣負(fù)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。當(dāng)新電池的正極和負(fù)極片卷起時(shí),其兩端會(huì)形成玫瑰狀的皺褶。

Tabless電池單元的描述。

上面討論的優(yōu)點(diǎn)使Tesla可以從Model 3和Powerwall中使用的2,170個(gè)單元(21毫米乘70毫米)發(fā)展到更大的4,680個(gè)單元(46毫米乘80毫米),而不必?fù)?dān)心性能下降和傳熱問題。特斯拉希望這些新電池將在三年內(nèi)使25,000美元的特斯拉汽車成為現(xiàn)實(shí)。

編輯:jq

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原文標(biāo)題:特斯拉的Tabless電池到底有多少“突破”?

文章出處:【微信號(hào):QCDZYJ,微信公眾號(hào):汽車電子工程知識(shí)體系】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

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