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锂离子电池的三个主要外形尺寸：圆柱形，棱柱形和袋形

2021-03-12 08:30:10·  来源：汽车电子硬件设计  作者：booksoser  
　
随着锂离子电池的需求不断增长，重要的是要弄清该电池的三个主要外形尺寸。 最近，我们讨论了2020年锂离子电池的现状。该领域的最新发展之一来自特斯拉电池节，其台式电池Elon Musk被称为“突破”，这与锂离子电池的三种传统形状因素形成了鲜明对比：圆柱形，
随着锂离子电池的需求不断增长，重要的是要弄清该电池的三个主要外形尺寸。
最近，我们讨论了2020年锂离子电池的现状。该领域的最新发展之一来自特斯拉电池节，其台式电池Elon Musk被称为“突破”，这与锂离子电池的三种传统形状因素形成了鲜明对比：圆柱形，棱柱形和袋形。
袋式隔室（左），圆柱形隔室（中）和棱柱形隔室（右）。
这些电池类型中的每一种都具有一系列优点和缺点。没有明显的赢家，但是您选择的电池会以几种不同的方式影响产品的设计。例如，这些电池形状因子中的每一个都可以具有不同的温度分布和热传递模型。
设计高效的电池热管理（BTM）系统需要对电池的热量产生和传递有充分的了解；BTM由加热和冷却系统组成，可将电池温度保持在所需范围内。在本文中，我们将研究每种电池格式的重要功能。
圆柱Cell
圆柱形电池由片状的阳极，隔板和阴极组成，它们被夹在中间，卷起来并包装成圆柱形罐。这种类型是最早批量生产的电池之一，并且仍然很受欢迎。这些单元适用于自动化制造。另一个优点是机械稳定性。电池的圆形形状将来自副反应的内部压力几乎均匀地分布在电池单元的整个圆周上。这使电池能够承受更高水平的内部压力而不会变形。当将圆柱形电池组合成电池组和模块时，电池的圆形横截面不允许我们充分利用可用空间。结果，圆柱形电池的包装密度低。然而，由于空间空腔使冷却剂容易在电池组内的电池周围循环，因此一组圆柱形电池组的热管理会更容易。
圆柱形电池的包装原理（左）与棱柱形和袋式电池的包装原理（右）。
放电速率为1 C且SOC = 0.1时的锂离子电池的温度分布如下所示：
 
如您所见，与电池表面相比，电池内部的温度更高。在该特定示例中，温度差不明显。但是，对于高容量的电池，从电池中心到外部的低热量传递会带来严峻的挑战。就尺寸而言，通常以标准模型生产圆柱形电池。一种常见的尺寸是18650型（直径18毫米，高度65毫米）。这种类型的总质量约为45克，根据所采用的技术，其容量可达到约1.2至3 Ah。
圆柱形Cell通常出现在医疗仪器，笔记本电脑，电动自行车和电动工具中。这些电池也用在特斯拉汽车中。其他电动汽车制造商采用棱柱形电池。
棱柱形Cell
锂离子方形电池由大片阳极，阴极和隔板夹在中间，卷起并压制成立方体形状的金属或硬塑料外壳。电极也可以通过层堆叠而不是果冻卷来组装。
锂离子棱柱形电池的结构。
棱柱形电池的电极板和分隔板靠近容器角的部分可能会承受更大的应力。这会损坏电极涂层并导致电解质的不均匀分布。将棱柱形电池组合成包装时，电池盒状的形状可以最佳利用可用空间。但是，以更具挑战性的热管理为代价实现了最佳空间。这是因为在电池单元之间没有像一堆圆柱形电池单元中那样存在空间空腔。
棱柱形电池的生产能力范围从针对笔记本电脑和手机的几安培小时到为电动汽车应用设计的数百安培小时。棱柱形电池的制造成本可能更高。此外，它们可以随着使用而扩展。
尽管它们比袋状Cell受肿胀的影响要小，但在这方面它们的性能不如圆柱状Cell。
袋式电池
袋式电池没有刚性外壳，并使用密封的柔性箔纸作为电池容器。这是一种有点简约的包装方法。它减轻了重量，并形成了可以轻松适应给定产品可用空间的柔性单元。
袋装电池在充电和放电过程中会因气体膨胀。
袋式电池的电极层和分隔层是堆叠的，而不是果冻卷的。对于袋式电池，设计人员应为电池膨胀分配足够的空间。500次循环后可能会发生8％至10％的膨胀。由于隔室的柔软结构，需要采用袋状隔室的支撑结构，且隔室不应放置在锋利的边缘附近。
锂离子电池日益普及和创新
锂离子电池将继续普及，特别是随着电动汽车的普及。实际上，据路透社最近报道，丰田和松下正联手大规模生产用于混合动力汽车的锂离子电池，宣布计划于2022年在日本西部建立一座工厂。
随着需求的不断增长，工程师必须熟悉锂离子电池的三种常见形状（圆柱形，方形和袋形），并紧跟锂离子电池的最新更新，例如，就像今年在特斯拉电池节上宣布的那样。
 
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