特斯拉（Tesla）的“電池日”（Battery Day）宣布了一項重要的宣布：一款臺式鋰離子電池。與傳統單元相比，該架構如何？

在特斯拉最近的電池日上，該公司宣布了埃隆·馬斯克（Elon Musk）所說的圓柱形電池的“大規模突破”。為了評估該說法的有效性，重要的是首先了解傳統圓柱形鋰離子電池的缺點。圓柱形鋰離子電池使用幾種不同的化合物層來存儲能量。如下所示，將片狀陽極，隔膜和陰極夾在中間，卷起，然后包裝成圓筒形罐。陰極電極和陽極電極中的每一個都使用稱為“接線片”的小型金屬組件，以連接到電池殼的正負極。

常規電池的內部架構。

小型鋰離子電池展現出高功率和能量密度。對于電動汽車應用必不可少的大型電池，我們需要更大的陽極和陰極片。這提出了幾個挑戰。在本文中，我們將研究這些挑戰以及特斯拉的新電池如何解決這些問題。

一對Tab可能不足

有幾種現象使我們無法實現大型陽極和陰極電極可以提供的潛在性能。這是由于以下事實：在陽極和陰極電極較大的情況下，電子需要傳播更長的距離，如下圖所示。

如果僅使用一對凸片，則未纏繞的陽極和陰極電極以及電子應行進的路徑。

路徑的歐姆電阻會導致功率損耗，進而導致電池內部發熱。

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。電流分布不均勻會導致涂覆電極的活性材料利用率不均勻。

換句話說，對于較大的電池單元，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。為了解決這個問題，我們可以沿電極采用多對凸耳，如下所示。

具有多對Tab的描述。

這將電極區域劃分為較小的區域，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。

Tab提出了幾個挑戰

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性，并且會影響電池的可靠性和性能。例如，焊接毛刺可能會穿透正極和負極之間的分隔層并造成內部短路。

有趣的是，可以使用X射線計算機斷層掃描（CT）掃描來評估這種制造缺陷。帶有焊接毛刺的電池的CT掃描如下所示。

毛刺的圖象在電流收集Tab的。

這種制造缺陷可能導致電池起火和爆炸。

此外，Tab的正確位置至關重要。充電和放電電流流過接線片，并使接線片周圍區域的溫度顯著提高到比電池其他部分高得多的水平。

產生的熱量會使電極片周圍的電極材料分解，并影響電池性能，循環壽命和安全性。為了解決這個問題，我們需要使Tab之間保持一定距離。在成本方面，拉環可能不是理想的選擇，因為拉環焊接增加了電池生產的額外步驟，從而增加了成本。

特斯拉的Tabless電池

盡管對特斯拉專利的詳細說明不在本文的討論范圍之內，但“臺式電池”的基本思想是通過沿電極延伸的導電部分實現常規的接片功能。

新的臺式鋰離子電池的結構。

通過這種Tab設計，電子應行進的最大距離是電極的高度，而不是傳統的帶Tab電極情況下的長度。電極的高度僅為其長度的5-20％。因此，電子面對的歐姆電阻，從而內部產生的熱量將大大減少。另外，在Tabless電極上的電流分布將是均勻的。這樣，避免了可能引起有害化學反應的過大電位的局部熱點，從而延長了電池的使用壽命。

像玫瑰一樣的電池可減少熱量

新設計不僅由于其較低的歐姆電阻而產生較少的熱量，而且還具有更好的傳熱性能。在常規設計中，所產生的電流流經占據小面積的接片，因此，接片周圍的區域的溫度顯著升高。

通過Tab設計，電極的整個邊緣負責電流（和熱量）的傳遞。傳熱發生在與電池筒底部一樣大的區域。當新電池的正極和負極片卷起時，其兩端會形成玫瑰狀的皺褶。

Tabless電池單元的描述。

上面討論的優點使Tesla可以從Model 3和Powerwall中使用的2,170個單元（21毫米乘70毫米）發展到更大的4,680個單元（46毫米乘80毫米），而不必擔心性能下降和傳熱問題。特斯拉希望這些新電池將在三年內使25,000美元的特斯拉汽車成為現實。

編輯：jq