结构设计对大型方形电池热特性的影响有哪些

锂离子电池的极耳形状和位置对于电池内的电流的分布、产热和散热都有着极其重要的影响，因此对于大尺寸锂离子电池热特性的分析还需要考虑极耳的形状和位置等特性。慕尼黑工业大学的Stephan Kosch等[3]利用二维电-热极化模型对锂离子电池极耳的形状和位置对大尺寸锂离子电池的热特性的影响进行了研究，电池模型如下图所示。

 

利用该模型对锂离子电池的热特性进行仿真的结果（右侧）与实验结果（左侧）进行对比（4C放电），可以看到仿真结果与实验结果符合的非常好。

 

为了提高锂离子电池的能量密度减小极耳的尺寸，降低集流体的厚度时常用的方法，因此Stephan Kosch利用上述模型对下图所示的四种接耳结构和分布方式进行了模拟，并分析了不同的集流体厚度（TCC1，负极=15um，正极=25um；TCC2，负极=10um，正极=17um和TCC3，负极=7.5um，正极=12.5um）对方形锂离子电池热特性的影响，

 

 

大尺寸方形锂离子电池在放电过程，特别是大电流放电过程中，由于电池极化和欧姆阻抗的作用会导致电池的内部产热极速增加，受到电池散热边界条件的影响，电池中间温度升高要明显快于电池边缘部分，因此会在电池内产生较大的温度梯度，同时在垂直于电池极片的方向由于散热受到电极极片自身的阻挡也存在明显的温度梯度，温度梯度的存在会导致电池内的电流分布和SoC状态不均匀，从而导致锂离子电池局部老化的加速，影响锂离子电池的使用寿命。我们需要在电池组的热控设计上对于方形锂离子电池的特点予以考虑，减少大型锂离子电池内部的温度梯度。在电池结构设计上，我们注意到大性锂离子电池极耳的尺寸、位置和厚度都对锂离子电池内的温度梯度和SoC分布有显著的影响，集流体变薄和极耳减小会导致电池内部的DOD差异和温度差异增加，这也是需要我们在高比能电池设计中需要特别注意的，电池结构调整能够显著的影响电池内的不均匀性，例如将正负极极耳的位置调整到电池的两侧能够有效的改善这种电池内部的不均衡。大型锂离子电池的电-热过程是一个非常复杂的过程，受到多种因素和边界条件的影响，因此在电池组的热管理设计时还需要我们进行更多的针对性的研究。