بهبود طراحی زبانه‌بندی در باتری‌های استوانه‌ای

شبیه سازی بهبود طراحی باتری‌ها استوانه‌ای اخیراً، شرکت تسلا، سازنده بزرگ خودروهای الکتریکی و باتری، طرح مفهومی جدیدی را برای باتری‌های لیتیوم یونی استوانه‌ای اعلام کرده است. این موضوع سر و صدای زیادی در بین کارشناسان باتری ایجاد کرد. تسلا ادعا کرد که این نوآوری با استفاده از مواد شیمیایی موجود، افزایش قابل توجهی در برد و قدرت به همراه دارد. برای جامعه باتری‌هایی که به پیشرفت‌های افزایشی سالانه در مقیاس درصد تک رقمی استفاده می‌کردند، این به نظر خیلی خوب بود که درست باشد. با این حال، کاوش در فیزیک باتری به سرعت نشان می دهد که چرا این مفهوم می تواند مسافت پیموده شده بیشتری را برای وسایل نقلیه الکتریکی آینده ما فراهم کند. در این پست وبلاگ، این طراحی جدید زبانه را بررسی می کنیم.

شبیه سازی باتری ها با استفاده از Tabbing

بیایید آن را از ابتدا در نظر بگیریم: یک سلول باتری لیتیومی به عنوان یک ساندویچ از لایه‌های مختلف – فویل‌های فلزی جمع‌کننده جریان، الکترودهای متخلخل و جداکننده‌ها – ساخته می‌شود که در محفظه‌ای پر از الکترولیت قرار می‌گیرد. پیکربندی ساندویچ به نوع محفظه (سلول سکه ای، منشوری، کیسه ای، سیلندر و غیره) بستگی دارد. باتری‌های لیتیوم یون استوانه‌ای با چرخاندن لایه‌های مختلف باتری در یک رول استوانه‌ای ساخته می‌شوند که سپس در یک قوطی فلزی قرار می‌گیرد. ساختار مارپیچی حاصل به دلیل شباهت آن به شیرینی های اروپای مرکزی معمولاً به عنوان “ژله رول” نامیده می شود.
فویل های کلکتور جریان معمولاً از مس (الکترود منفی) و آلومینیوم (الکترود مثبت) ساخته می شوند که هر دو ضخامتی در حدود ده ها میکرومتر یا کمتر دارند. دلیل انتخاب فلزات مختلف، پایداری الکتروشیمیایی آنها در پتانسیل های مختلف است. به منظور هدایت جریان به و از رول ژله ای به بیرون، به قوطی باتری، نوارهای فلزی اضافی، زبانه ها، به کلکتورهای جریان جوش داده می شود. ساده ترین طراحی زبانه که در باتری های کم مصرف استفاده می شود، یک زبانه را در هر طرف رول ژله ای قرار می دهد.

شبیه سازی بهبود طراحی باتری‌ها به عنوان اولین رویکرد برای بررسی اثر زبانه‌بندی، می‌توانیم یک مدل شبه ایستایی ایجاد کنیم که تلفات ولتاژ اهمی در هادی‌های الکترونیکی و الکترولیت و همچنین پتانسیل‌های بیش از حد فعال‌سازی به دلیل واکنش‌های انتقال بار در الکترودها را محاسبه می‌کند. توزیع داخلی حاصل از جریان باتری اعمال شده در این شرایط توسط الکتروشیمیدان ها توزیع جریان ثانویه نامیده می شود. از آنجایی که مدل تجمع یا تخلیه اتم‌های لیتیوم در الکترودها یا یون‌های لیتیوم در الکترولیت را در نظر نمی‌گیرد، می‌توان آن را به‌عنوان تصویری از باتری منجمد شده در یک حالت شارژ خاص مشاهده کرد. در واقع، غلظت موضعی در طول زمان با شارژ یا دشارژ شدن باتری تغییر می‌کند. با این حال، یک مدل توزیع جریان ثانویه می‌تواند به طور دقیق تلفات ولتاژ در ژله رول را در یک لحظه معین در زمان در یک حالت شارژ معین پیش‌بینی کند.

آموزش comsol

شکل‌های بالا توزیع پتانسیل در کلکتورهای جریان منفی و مثبت را برای یک رول ژله‌ای باتری در هنگام تخلیه 1 درجه سانتیگراد نشان می‌دهند. 1 C جریان معادلی است که برای شارژ یا تخلیه باتری در یک ساعت لازم است. اندازه این ژله رول متناسب با قوطی باتری 18650 است که 65 میلی متر ارتفاع و 18 میلی متر شعاع دارد. متذکر می شویم که اگرچه تلفات احتمالی در کلکتورهای فعلی نسبتاً کم است، اما قابل چشم پوشی نیستند. برای سلول بزرگ‌تری مانند سلول 4680 (80 میلی‌متر ارتفاع و 46 میلی‌متر در شعاع) که تسلا در حال برنامه‌ریزی برای ساخت آن است، تلفات احتمالی با طراحی زبانه‌های سنتی قابل‌توجه خواهد بود.

از آنجایی که مدل ما مبتنی بر فیزیک است، منابع گرمای محلی را می توان به آسانی بر اساس تلفات اهمی (گرمایش ژول) و پتانسیل های بیش از حد فعال سازی استخراج کرد. هنگامی که متغیر منبع حرارت خود را به یک مدل انتقال حرارت متصل می کنیم، نتایج زیر را دریافت می کنیم.
در اینجا، ما یک شرایط خنک‌کننده همرفتی را در ناحیه بیرونی رول ژله اعمال می‌کنیم و یک شار گرمای خنک‌کننده را متناسب با تفاوت دمای سطح و دمای بیرون (25 درجه سانتی‌گراد) تجویز می‌کنیم. گرمای ارسال شده از طریق پایانه های الکتریکی در انتهای زبانه نادیده گرفته می شود.

میتوانید برای آموزش کامسول  اقدام کنید.

اگر به توزیع دما نگاه کنیم، می توانیم افزایش شدید دما را در زبانه ها مشاهده کنیم. این نشان می دهد که گرمایش ژول در زبانه ها منجر به گرمایش موضعی قابل توجهی برای این باتری نسبتاً کوچک حتی در جریان های متوسط ​​می شود. اختلاف دمای موضعی همچنین می‌تواند در لایه‌های الکترودهای مجاور منتشر شود، که سپس باعث می‌شود بخش‌هایی از باتری سریع‌تر کهنه می‌شوند و سپس عمر کل باتری را محدود می‌کند.

هندسه ژله رول واقعی هنگام انجام مدل‌سازی و شبیه‌سازی کمی دشوار است. به عنوان مثال، کشیدن اجسام در هندسه مارپیچی مانند افزودن چندین زبانه در داخل رول ژله دشوار است. علاوه بر این، تجسم نتایج در داخل لایه‌های مارپیچی دشوار است، برای مثال ترسیم چگالی جریان از طریق جداکننده‌ها در موقعیت‌های مختلف در رول.

مدل سازی رول ژله ای پهن

همچنین، می‌توانیم همان مدل را روی یک نسخه پهن (رول نشده) از رول ژله‌ای تعریف کنیم.

geometry این به ما این امکان را می دهد که به راحتی تب ها را معرفی کنیم و بهتر به مدل و نتایج شبیه سازی نگاه کنیم. در عوض، می‌توانیم به‌طور مجازی باتری را بچرخانیم. در تصویر زیر یک نسخه صاف از رول ژله ای نشان داده شده است که در آن لایه ها و زبانه های مختلف به صورت بلوک های مستطیلی کشیده شده اند.

اینستاگرام کامسول پروژه