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，該體系結(jié)構(gòu)有什么優(yōu)勢(shì)？

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(shuō)的圓柱形電池的“大規(guī)模突破”。為了評(píng)估該說(shuō)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(lái)存儲(chǔ)能量。如下所示，將片狀陽(yáng)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(yáng)極中的每個(gè)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(fù)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(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(yáng)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(wèn)題。

一對(duì)選項(xiàng)卡可能不足

有幾種現(xiàn)象使我們無(wú)法實(shí)現(xiàn)大型陽(yáng)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(yáng)極和陰極較大的情況下，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(yáng)極和陰極電極以及電子應(yīng)行進(jìn)的路徑。圖片由Wei Zhao等提供。

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

換句話說(shuō)，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(wèn)題，我們可以沿電極采用多對(duì)凸耳，如下所示。

具有多對(duì)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(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)極之間的分隔層并導(dǎo)致內(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(lái)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。

毛刺的圖象在當(dāng)前收集選項(xiàng)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(guò)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(wèn)題，我們需要使標(biāo)簽之間保持一定距離。從成本方面來(lái)說(shuō)，接線片可能不是理想的選擇，因?yàn)榻泳€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(xì)說(shuō)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(guò)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)。圖片由Tesmanian和限制因素提供

通過(guò)這種表格設(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)的帶標(biāo)簽電極的長(zhǎng)度。電極的高度僅為其長(zhǎng)度的5-20％。因此，電子所面對(duì)的歐姆電阻，從而內(nèi)部產(chǎn)生的熱量將大大減少。

另外，在桌子電極上的電流分布將是均勻的。通過(guò)這種方式，避免了可能引起有害化學(xué)反應(yīng)的過(guò)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，接片周圍區(qū)域的溫度顯著升高。

通過(guò)表格設(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。將新電池的正極和負(fù)極片卷起來(lái)時(shí)，其兩端會(huì)形成玫瑰狀的皺褶。

臺(tái)式電池的描述。屏幕截圖由特斯拉提供

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(wèn)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(shí)。