统计分析:锂电池三种不同封装方式

高工锂电技术与应用 发表于 2018-04-10 17:30:10 收藏 已收藏
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统计分析:锂电池三种不同封装方式

高工锂电技术与应用 发表于 2018-04-10 17:30:10

有人对比较成功的17款电动汽车做了统计,结果表明8款采用了方形卷绕式,7款采用了方形层叠式,2款采用了圆柱卷绕式。电动汽车在选择电池构型上的分歧,实质上也反映了这些构型各具优、缺点。

圆柱卷绕式、方形层叠式和方形卷绕式是动力电池的三种重要构型。这里的圆柱卷绕式对应题干中的“柱状电池”,方形层叠式对应题干中的“软包”,方形卷绕式对应题干中的“方形”。有人对比较成功的17款电动汽车做了统计,结果表明8款采用了方形卷绕式,7款采用了方形层叠式,2款采用了圆柱卷绕式。电动汽车在选择电池构型上的分歧,实质上也反映了这些构型各具优、缺点。1. 圆柱卷绕式

圆柱卷绕式是一种很古典的电池构型,在镍氢、3C锂离子c上得到了长期的应用,业界也积累了大量的生产设计经验。圆柱卷绕式的优点包括生产效率高、一致性好等, 缺点包括圆柱外形导致的空间利用率低、径向导热差导致的温度分布问题等。由于圆柱电池的径向导热性能不佳,电池的卷绕圈数不能太多(18650电池的卷绕圈数一般在20圈左右),因此单体容量较小,应用在电动汽车上时需要大量单体组成电池模组和电池包,连接损耗和管理复杂度都大大增加。

圆柱卷绕式电池的外形看上去虽然简单,但是内在设计并不简单。好的电池设计是涉及电化学、热、电、机械等诸多领域的复杂问题,对电池设计人员提出了很高的要求。我想举两个小例子。

例一:下图是某款18650电池的内部尺寸(单位: mm),正、负极展开后的长度相加有近1.5米,但用于引流的极耳宽度只有4 mm。电池设计人员需要慎重地选择极耳(位置、个数等)、电极涂层的诸多参数,以期降低极板上的电流分布不均匀,同时降低电池内部的温度分布不均匀。

(Reference: Waldmann et al., JES 161 (10) A1742, 2014)

为了解决这个问题,一个简单的办法是在卷绕中心处加一个销轴,抑制卷芯的形变,如下图所示。

2. 方形层叠式

与卷绕式是由单片的正、负极片卷绕成形不同,层叠式电池是由多层极片层叠而成的。方形层叠式的优点包括:1) 厚度薄(受限于铝塑膜的冲压强度,一般不会超过1 cm),因此散热性能很好;2) 极片多,每片极片均有凸缘与极耳焊接在一起,极板上的电流密度分布均匀性好;3) 薄片式,易于组成模块和电池包,空间利用效率高;4)铝塑膜包装的重量轻,且抽真空后与电芯贴合紧密,有利于减少无效的重量和体积。

但是,这一构型的缺点包括:1) 铝塑膜封装的长期可靠性较难保证,如下图所示:

(NASA, Li-ion Pouch Cell Designs:Performance and Issues for Crewed Vehicle Applications)

2) 电池体较软,极片间的接触阻抗可能会较大,需在模块层次或电池组层次加以解决;3) 相比卷绕式电池,生产制作效率较低。3. 方形卷绕式

方形卷绕式结合了方形层叠式的外观特征(但往往厚度更大)和圆柱卷绕式的极板制作方法,具有空间利用率高、生产效率高的优点。但是,这一型电池的设计也是最为复杂的,需要考虑的设计变量非常多,还需要考虑壳体与电芯间的配合问题。综上所述,为了比较各类构型的优缺点,我们需要从热、机械、可靠性等很多角度角度来分析电池设计的优劣,而不止于传统的电化学特性。这是电动汽车发展后给电池行业带来的新挑战和新机遇。

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