JPS:大型全極耳圓柱形鋰離子電池在不同環境條件下的快速充電性能和最佳熱管理


01【導讀】

各大汽車制造商已經宣布在未來幾代汽車中使用具有創新極耳設計的大型圓柱形鋰離子電池。改進的極耳設計和更大的電池尺寸為工程師設計圓柱形電池的電池組提供了各種新的可能性,但這種可能性尚未得到詳細研究。

02【成果掠影】

近日,德國亞琛工業大學Hendrik Pegel等人采用了一款專為汽車高性能應用而設計的具有新穎的全極耳設計、先進的富鎳正極和SiOx-C負極的圓柱形鋰離子電池,用于參數化建模并研究大型圓柱形電池的性能。作者非常重視對增強型極耳設計的內部熱路徑進行精確建模和驗證。這對于有效的熱管理來說至關重要,并且是全極耳電池相比以前的單極耳電池的最大優勢之一。空間分辨的物理化學模型在-20°C至65°C的溫度范圍內通過多個不同測試設置的實驗數據進行了廣泛驗證。經驗證的模型用于研究在不同環境條件下基于局部負極電壓和析鋰風險的最佳快速充電時間和熱管理策略。這些發現總結在一個通用的冷卻和加熱圖中,該圖對大型圓柱形電池從10%到80%充電狀態的快速充電性能進行了展望。

相關研究文章以“Fast-charging performance and optimal thermal management of large-format full-tab cylindrical lithium-ion cells under varying environmental conditions”為題發表在Journal of Power Sources上。

03【核心創新點】

本文旨在剖析采用創新極耳設計的大型圓柱形電池的特性、性能和整體潛力。

04【數據概覽】

圖一、電池和模型概述。上圖:(a)參考電池的結構組件,采用全極耳設計和富鎳NMC/SiO-C化學,用于參數化和驗證建模框架,(b)電氣和熱離散化的示意圖。下圖:Cu集流體的電離散化,(c)示例性電池橫截面和卷繞的電池卷的軌跡計算為具有任意層厚度和元件邊界(黑色)的阿基米德螺旋,(d)放大到電池芯中的視圖和具有恒定角度但不同弧長Si的圓周方向上的元件離散化,(e)未卷繞的Cu集流體,具有圓周和軸向上的離散化以及箔突出部分和負極端之間的電路徑的軸向上的附加電阻RCu,ser。? 2023 Elsevier

圖二、模型驗證。(a)自由對流。左圖:帶有溫度傳感器位置的測試設置示意圖(紅色)。上排:電池電壓,下排:在不同電流和環境溫度下恒定電流放電的測量值(實線)和模擬值(虛線)中間高度的表面溫度。(b)冷卻板。左:帶溫度傳感器位置的測試設置示意圖(紅色、洋紅色、藍色、黑色),中間:所有傳感器位置的溫度對冷卻板溫度變化的熱階躍響應,右上一行:電池電壓,右中一行:負極端溫度(紅色),右下一行:恒流充電和放電的電池罐底部溫度(洋紅色)。(c)使用參比電極的實驗電池測試的電池電壓和陽極電壓。? 2023 Elsevier

圖三、快速充電方案的驗證。(a)電池和陽極電壓的測量值(實線)和模擬值(虛線)以及(b)負極端(紅色)和電池罐底部(洋紅色)的溫度和電池電流。(c)用高達10 C的電流充電后實驗全電池的電壓弛豫和(d) dV/dt圖,(e)每個快速充電循環后圓柱形電池的電壓弛豫和(f) dV/dt圖。(g)10次快速充電循環前后的C/10放電和(h) DVA。所有證據表明,快速充電期間沒有發生鋰電鍍。? 2023 Elsevier

圖四、最佳冷卻控制。上面一行:電池和陽極電壓,中間一行:使用不同底部冷卻的充電曲線的溫度和電流。(g)充電時間是冷卻系統開啟時活性材料最高溫度的函數,每條線代表不同的起始溫度。(h)作為冷卻控制功能的充電時間與立即開啟冷卻的時間之比。(g)和(h)顯示,在某些情況下,充電時間會因后期冷卻而縮短,并且存在明顯的最佳值(-5°C至20°C)。在某些情況下,后期冷卻會導致充電時間縮短(25°C至40°C)。? 2023 Elsevier

圖五、溫度低于-8.5°C時的最佳加熱控制。上面一行:電池和陽極電壓,中間一行:不同底部加熱使用情況下充電曲線的溫度和電流。(g)充電時間,作為加熱關閉時最高活性材料溫度的函數,每條線代表不同的起始溫度。(h)與完全不加熱相比,作為冷卻控制函數的充電時間的比率。(g)和(h)表明,在所有情況下,額外的加熱有利于充電時間。? 2023 Elsevier

圖六、 (a)和(c)電池電壓和陽極電壓,以及(b)和(d)對于1.226 kJ的恒定總熱能輸入,具有2 W和8 W加熱功率的充電曲線的溫度和電流。(e)和(f)充電曲線的內上環和外下環上的溫度,以及(g)加熱功率在0 W(不加熱)和8 W之間時的電池電流,(h)絕對充電時間和(I)相對于不加熱時作為加熱功率的函數的相對充電時間。(h)和(I)表明,在總熱能輸入不變的情況下,加熱功率的增加是有益的,但收斂很快。有限的熱導率延遲了熱量流向冷點(內上環,f ),降低了較大加熱功率的益處。? 2023 Elsevier

圖七、(a)和(c)電壓以及(b)和(d)溫度和電流,適用于10°C的起始溫度以及不同的冷卻和加熱用途。(e)和(f)分別是外下環和內上環上的溫度,以及(g)加熱關閉時不同最大活性材料溫度下的電池電流。(h)絕對充電時間和(I)相對充電時間,作為加熱關閉時活性材料溫度的函數。(h)和(I)表明,一些曲線從組合加熱和冷卻中獲益較少。? 2023 Elsevier

圖八、(a)作為起始溫度的函數的加熱、冷卻以及組合加熱和冷卻的最佳熱管理。(b)絕對充電時間,假設應用最佳熱管理作為起始溫度的函數。(a)和(b)可以被分成不同的區域,在這些區域中應該應用不同的最佳熱管理策略。? 2023 Elsevier

05【成果啟示】

總之,通過理解和利用潛在物理現象與幾何方面的相互作用,不同環境條件下給定電池的智能熱管理具有顯著優化充電時間的潛力。

原文詳情: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

分享到