大圓柱電池為什麼用全極耳設計

溫度是影響電池電化學效能、壽命和安全性的關鍵因素。例如，研究表明，與 30–40 °C 時相比，溫度每升高一度，鋰離子電池的壽命就會縮短2個月。通常需要使用熱管理系統（TMS）進行主動冷卻，以確保電池組在合適的溫度範圍內執行。然而，由於傳熱限制，電池之間和單個電池內仍然存在熱梯度，尤其是在劇烈放電或快速充電的時候，這會降低電池的迴圈容量和使用壽命。具體的原因包括a）材料降解，b）鋰濃度、c）電流密度、d）機械應力、e）微觀結構和f）化學反應的不均勻性。

影響電池的整體效能的熱因素主要為：a）電池外部熱邊界條件，由熱管理系統決定；b）內部熱量的產生和傳輸，受電池設計的影響。電池內部設計中，極耳的數量和位置對電池熱行為具有重要影響。對於圓柱形電池，電極長度會導致電池內部電流和溫度分佈的不均勻性。同時其自身周圍的絕緣性元件會導致電池核心與外表之間的內部溫度梯度。綜合這些因素還可能導致電池內荷電態、衰減程度等的不均勻性，如圖1所示。模擬研究和實驗工作均表明，使用更多的極耳會導致更低的溫升和熱梯度。

圖1 對流邊界條件下1C 放電，放電 1000 秒後（a）溫度、（b）電流密度、（c）SoC 和（d）OCV 分佈的模擬結果

特斯拉提出的尺寸更大的圓柱形4680電池，其外殼直徑為46 mm，高度為80 mm。該類電池在能量密度和功率輸出方面具有一定優勢，但由於卷芯更長，可能會加劇內部電流和溫度分佈的不均勻性。圓柱直徑增加時，由於電池的表面積/體積比降低，可能會導致有效熱管理出現問題。為解決這些問題，特斯拉提出了一種“無極耳”集流方式，或者稱“全極耳”，該方法透過使用集流體箔本身來實現電流收集，這樣電池內部的電流分佈更加均勻。

以21700電池為例，假定在絕熱熱邊界條件下，模擬研究電池極的數量和位置對電池熱行為的影響。結果如圖2所示，圖2（a）表明靠近極耳的電流密度明顯更高，因而在靠近極耳的區域會產生更明顯的熱量。圖2 （b）是放電60 秒時電池內部的溫度等值線，表明僅由於極耳的數量和位置不同，在放電短時間內產生了顯著的溫度梯度。具有更多極耳的電池可減少這種影響並形成更小的溫度梯度和平均溫度上升。對於單極耳的電池（Variant-a），放電結束時平均溫度達到107。33°C（圖2c））。三極耳和全極耳電池在放電結束時的平均溫度較低的，分別為 92。02 °C 和 89。76 °C。這兩個值都比較接近無電阻的理想集流體的情況，而且極耳越多越好。

單極耳（Variant -b）模擬結果表明，極耳的位置也會影響電池平均溫度：將極耳移到離極片中心三分之一距離處可使溫升降低 5。17%（圖2c）。這是因為正極片區域具有最高的溫度，與Variant -a相比，Variant-b將這個最高溫度點移向電池外部，實現了更有效的散熱。

圖 2（e）說明了不同極耳設計的電池在放電過程中鋁箔、銅箔和電極產生的總熱量。與完美的無電阻集流體相比，在單極耳電池中，集流體的電阻會產生少量但不可忽略的熱量。由於正極和負極極耳之間的電流路徑更長，因此極耳較少的電池的集流體電阻實際上更高。由於集流體尺寸和電導率不同，鋁集流體比銅產生更多的熱量，導致卷芯在正極的末端表現出更高的溫度，如圖6 （b）所示。

圖2 電池極耳設計對電池效能影響的模型預測。(a) 三種不同設計的卷繞圓柱電池和展開極片示意圖：單極耳（Variant-a）、單極耳改變位置變體（Variant-a）和多極耳。展開極片中的線表示電流密度通量，示意性地描述了極耳區域中較高電流密度。(b) 在 1C 放電的前 60 秒，五種不同極耳設計的內部溫度分佈。整個放電過程：五種極耳設計的(c)平均溫度、(d)溫度標準偏差和(e)鋁箔、銅箔和電極產生的總熱量的演變。其中，three tab表示三個極耳，All tab表示全極耳，Perfect CC表示集流體無電阻的理想情況。

如圖3所示，在 1C 放電 60 秒後，單極耳（Variant -b）和全極耳設計電池在展開極片中的產熱速率、區域性溫度分佈、電流密度分佈。在單極耳電池中，集流體極耳區域的初始產熱速率明顯高於集流體其餘部分，溫度和電流密度分佈不均勻。全極耳設計中，1C 放電60 秒後，由於電子傳輸路徑短，較小的區域性電阻，溫度和電流密度分佈更加均勻。