自從特斯拉發布4680電池以來，各個電池廠家積極開發4680等大圓柱電池。大圓柱電池具有許多優勢：(1)可以減少電池組中銅排和控制電路的數量，避免更高的電壓降和產熱而導致的能量損失，并提高系統可靠性。(2)由于外殼材料和隔膜等非活性組分的比例降低，電池組水平的能量和功率密度可以更高。

但是，大圓柱電池的主要問題就是散熱問題，如果沒有有效的散熱，較大的電池內部可能會產生更高的內部溫度和更大的熱梯度，這會限制電池性能并顯著加速老化。電池的散熱率受表面體積比和導熱系數的影響。對于圓柱電池，由于圓柱幾何形狀，表面體積比與半徑成反比，本質上就很低。而且導熱系數具有很強的各向異性，由于正極、負極、隔膜等多層結構，徑向方向上的導熱系數較低。4680電池直徑增加到46mm，與18 mm(18650電池)和21 mm(21700電池)相比，散熱具有挑戰性。

因此，4680電池極片采用全極耳或無極耳設計，在極片側邊留出不涂布的集流體作為電池的極耳，直接焊接在電池端面的集流盤上。4680電池的連續的全極耳設計能夠通過減少發熱和增加散熱來大圓柱形電池尺寸增加產生的熱問題。倫敦帝國理工學院機械工程系創建了一個4680圓柱形電池模型，并使用它來研究不同的熱管理方式。結果表明，由于采用全極耳設計，4680 電池的熱性能不比 2170 電池差，而 4680的能量和功率是2170 電池 的6.9 倍。最后，該模型證明了4680電池的最佳冷卻方法是兩端面底座冷卻，而對于2170電池是側面冷卻。

圓柱電池中，單個極耳和全極耳設計的電池內部結構如圖1所示。對于但極耳設計電池，除了極耳之外，果凍卷底部和金屬外殼之間的剩余空間都填充了絕緣片以防止短路。由于塑料絕緣片的導熱系數比金屬外殼和集流體的導熱系數低幾個數量級，因此極耳成為了從果凍卷底部到外部金屬殼的主要散熱路徑。而對于Tesla 4680電池，負極集流體銅片直接殼體連接，增加大量連接點有望大大減少連接電阻，并且降低散熱的瓶頸。

圖1 (a) 采用單極耳設計的圓柱電池的橫截面。電極截面局部放大圖，(b) 單極耳設計和 (c) 全極耳設計。(d)2170 LG M50T電池和(e)特斯拉4680電池的負側極耳

模擬計算中，電池的參數如表1所示，2170電池模型參數參照21700 LG M50T實際電池，模型中電極的長度和實際電池有差別，主要是模型通過外殼尺寸限制計算的長度，與實際電池有所不同，4680電池的差別比較大。極耳的設計包括：

(1)單個極耳或者兩個極耳;

(2)全極耳，集流體連續留白，每圈焊接一個極耳片，最后與電池外電路極柱連接;

(3)無極耳，集流體連續留白，端面折疊，不焊接額外的極耳，直接與端蓋連接，與特斯拉4680電池設計一樣。

在基礎熱模型中，所有電池固定放電電流為1.5C，熱邊界是所有表面上的對流冷卻，環境溫度為25°C，傳熱系數為30 W /(m2 K)，考慮了電極產生的不可逆和可逆(熵)熱量，集流體考慮了不可逆的發熱，電池產生的總熱量為電池所有元素的總和。21700電池的模擬結果如圖2所示，對比單個極耳和全極耳的情況，全極耳電池放電電壓更高，電池極化更小(圖2a);而且放電過程中平均溫度也更低(圖2b)，最高溫度和最低溫度的差值更低(圖2c);對比電極、銅箔和鋁箔產生的熱量，單極耳21700電池集流體產生的熱量占比高，而全極耳電池集流體產生的熱量幾乎可以忽略(圖2d)。

圖2 單極耳和全極耳21700圓柱電池熱特性對比

不同極耳設計的4680電池的熱特性結果如圖3所示。單極耳4680電池在不同倍率C下的放電容量如圖3b，0.1C放電下的容量接近額定容量(27.07Ah)，隨著C倍率從0.1C增加到1.5C，放電容量顯著降低。極片集流體的電流路徑如圖3c，4680電池的電性能對極耳的數量極其敏感，添加極耳可以通過降低內阻來大大提高性能。與2170電池不同，4680電池必須具有雙極耳或全極耳設計。與雙極耳設計相比，全極耳可以顯著降低集流體產生的熱量(圖3e)。

圖3 不同極耳設計的4680電池的熱特性結果

4680電池的極耳設計考慮全極耳(連續留白，每以卷繞圈焊接一個極耳)和無極耳(連續留白，不焊接極耳留白折疊直接與端蓋極柱連接)兩種情況，對比了側面對流(side convection)、側面傳導(side conduction)、頂部/底部對流(top/base convection)和頂部/底部傳導(top/base conduction)四種冷卻方式，結果如圖4所示。傳導冷卻方案比對流方案顯著降低電池平均溫度，這是由于通過金屬傳導而實現的電池與周圍環境之間的熱傳遞速率比金屬-空氣對流邊界條件更高(圖4a)。側面傳導冷卻引起電池兩端的最大溫差(圖4b)，雖然頂部/底部對流冷卻的溫差最低，但是這種方式平均溫度最高。4680電池在放電結束時的四種冷卻方案下的溫度分布如圖4c所示，頂部/底部傳導冷卻是4680無平板電解槽的最佳冷卻方案，能夠獲得較小的平均溫度和熱梯度。

圖4 無極耳設計4680電池冷卻方式對比

全極耳(連續留白，每以卷繞圈焊接一個極耳)和無極耳(連續留白，不焊接極耳留白折疊直接與端蓋極柱連接)設計對電池溫升也會有影響，全極耳設計時卷芯和外殼之間一般會加絕緣片，從而影響熱量的傳遞;無極耳設計時，集流體留白折疊直接焊接在集流盤上，增加了散熱速率。如圖5所示，對于4680全極耳電池，平均溫度最高，在放電結束時達到48 °C。相比之下，具有無極耳設計的電池具有顯著更低的平均溫度，在放電結束時約為35 °C。溫度差ΔT (即最大溫度Tmax和最小溫度Tmin之間的差),全極耳設計的熱梯度是無極耳設計值的兩倍。通過冷卻頂部和底部，可以進一步降低平均電池溫度和溫度差。

圖5 全極耳和無極耳設計4680電池溫升對比

總之，模型模擬結果表明，對于單極耳2170電池，最佳冷卻策略是側面冷卻，而對于4680無極耳電池，最佳冷卻策略是頂部/底部冷卻。但是目前來看，特斯拉采用的冷卻方式主要還是側面冷卻。

審核編輯：湯梓紅