円筒電池のタビング設計の改善

2022年 3月 22日

最近, 電気自動車および電池の大手メーカーである Tesla 社は, 円筒型リチウムイオン電池の新しいタブレス設計コンセプトを発表しました. これは, 電池専門家の間でかなりの騒ぎを引き起こしました. (Ref. 1) Tesla は, イノベーションが既存の化学物質を使用して範囲と電力を大幅に増加させると主張しました. 1桁のパーセンテージスケールで毎年段階的に進歩することに慣れている電池コミュニティにとって, これは事実であるとは思えません. ただし, 基礎となる電池の物理学を掘り下げると, このコンセプトが将来の電気自動車に追加の走行距離を提供できる理由がすぐに明らかになります. このブログでは, この新しいタブのデザインについて説明します.

タビングを使った電池のシミュレーション

最初から考えてみましょう: リチウム電池セルは, コレクター体金属箔, 多孔質電極, セパレーターなどさまざまな層のサンドイッチとして構成されています. これらは, 電解質で満たされた筐体に配置されます. サンドイッチの構成は, 筐体のタイプ (コインセル, プリズム, パウチ, シリンダーなど) によって異なります. 円筒形リチウムイオン電池は, さまざまな電池層を円筒形のロールに巻いて製造され, 金属缶に入れられます. 結果として得られるらせん構造は, 中央ヨーロッパのお菓子に似ているため, 一般にゼリーロールと呼ばれます.

プラスのタブとマイナスのタブがラベル付けされた, らせん状に巻かれた円筒形電池用のジェリーロールの断面図.
らせん状に巻かれた円筒形電池のジェリーロールの断面図.

コレクター箔は通常, 銅 (負極) とアルミニウム (正極) でできており, どちらも厚さは数十マイクロメートル以下です. 異なる金属を選択する理由は, 異なる電位での電気化学的安定性にあります. 電流をジェリーロールから外部へ, または電池缶へ伝導するために, 追加の金属ストリップ, タブがコレクター体に溶接されます. 低電力電池で使用される最も単純なタブデザインは, ジェリーロールの両側に1つのタブを配置します.

タブの効果を解析する最初のアプローチとして, 電子伝導体と電解質のオーム電圧損失, および電極の電荷移動反応による活性化過電圧を説明する擬似定常モデルを作成できます. このような状況下で適用される電池電流の結果として生じる内部分布は, 電気化学者によって2次電流分布と呼ばれます. このモデルは, 電極内のリチウム原子や電解質内のリチウムイオンの蓄積や枯渇を考慮していないため, 特定の充電状態で凍結した電池のスナップショットと見なすことができます. 実際には, 電池が充電または放電されると, 局所濃度は時間の経過とともに変化します. ただし, 2次電流分布モデルは, 特定の充電状態での特定の瞬間におけるジェリーロールの電圧損失を正確に予測できます.

1C 放電を受ける電池ジェリーロールの負のコレクター電位分布を示すモデル.
1C 放電を受ける電池ジェリーロールの正のコレクター電位分布を示すモデル.

対応する電流端子に対する負 (左) および正 (右) コレクター箔の電位.

上の図は, 1C 放電を受けたときの電池ジェリーロールの負および正のコレクター電位分布を示しています. 1C は, 電池を1時間で充電または放電するのに必要な等価電流です. このジェリーロールのサイズは, 高さ65 mm, 半径18 mm の18650電池缶に収まります. コレクター体の潜在的な損失はかなり小さいですが, 無視できないことに注意してください. Tesla が製造を計画している4680セル (高さ80 mm, 半径46 mm) のようなより大きなセルの場合, 従来のタブ設計では潜在的な損失が相当なものになります.

私たちのモデルは物理学に基づいているため, オーム損失 (ジュール熱) および活性化過電圧に基づいて局所熱源を容易に導き出すことができます. 熱源変数を熱伝達モデルに代入すると, 以下の結果が得られます.

ジェリーロール内の温度分布を示すモデル結果.
ジェリーロール内の温度分布.

ここでは, ジェリーロールの外側領域に対流冷却条件を適用し, 表面温度と外気温度 (25°C) の差に比例する冷却熱流束を規定します. タブ端の電気端子を介して伝導される熱は無視されます.

温度分布を見ると, タブの温度が急激に上昇していることがわかります. これは, タブ内のジュール熱が, このかなり小さな電池に対して, 中程度の電流でもかなりの局所加熱をもたらすことを示しています. 局所的な温度差は, 隣接する電極層にも伝播する可能性があり, その結果, 電池の一部がより早く劣化し, 電池全体の寿命が制限されます.

真のジェリーロールジオメトリは, モデリングやシミュレーションを行うときに扱いにくいものです. たとえば, ジェリーロールの内部に複数のタブを追加するなど, らせんジオメトリでオブジェクトを描画するのは難しいです. さらに, らせん層内の結果を可視化することは困難です. たとえば, ロール内のさまざまな位置でセパレーターを通過する電流密度をプロットします.

平坦化ジェリーロールのモデリング

または, ジェリーロールジオメトリの平坦化された (展開された) バージョンで同じモデルを定義することもできます. これにより, タブを簡単に導入し, モデルとシミュレーション結果をよりよく見ることができます. 代わりに, 仮想的に電池を転がすことができます. 下の図に示されているのは, さまざまな層とタブが長方形のブロックとして描かれているジェリーロールの平らなバージョンです.

平坦化されたらせんジェリーロールのジオメトリ.
平坦化されたらせんジェリーロールのジオメトリ.

実際には, 層のスタックからジェリーロールを作成する場合, 前面 (緑色) の境界は, 長方形のブロックのスタックの背面と接触してしまいます (上の図を参照). COMSOL Multiphysics® ソフトウェアにおける, 非ローカルカップリングと呼ばれる特別なカップリング境界条件を使って, 平坦化されたジェリーロールモデルで, これらの幾何学的に分離された境界を数学的に接続します. これは, 上で仮想的に電池をローリングすることを意味しています.

平坦化されたジオメトリには, 必要なメッシュ要素が少なくなるという利点もあります. これは, ロールの局所的な曲率を解像する必要がないためです. 心強いことに, 平坦化されたジオメトリの温度プロファイルは, ジェリーロールの結果を正確に再現しています. 上記を参照してください.

平坦化されたジェリーロールジオメトリの温度プロファイル.
平坦化されたジェリー ロールの温度 (°C).

下の図に示すように, 平坦化されたジオメトリにより, クロスセパレーターの電流密度を簡単に可視化できるようになりました.

平坦化されたジェリーロールジオメトリのセパレーターの1つの面方向の電流分布のプロット.
あるセパレーターの面方向電流分布 (A/m2).

このような電流分布プロットは, 電池設計者に貴重な洞察を提供します. この場合, プロットは, タブに近い領域で大幅に高い電流密度を示しています. これは, 電池がタブに近い領域でより多くの電気化学的摩耗にさらされ, その結果, 劣化が加速することを意味します. セルをより長い時間実行できるようにすると, 上記の電流分布プロットは最終的により均一なプロファイルになります. ただし, 充電状態が固定された状態で電池がより短いサイクル使用される場合 (たとえば, 負荷平準化電池システム), 上記の電流分布の評価はかなり正確です.

COMSOL Multiphysics で集積化タビングの設計を検討

ここで, 前述のモデリング手法を使用して, いわゆるタブなし設計を検討していみましょう.

タブを使用しないというコンセプトは, 追加の金属ストリップタブを取り除き, 代わりに金属コレクター箔に電流を外部に伝導させることを意味します. これは, 電極領域の外側に到達するようにフォイルを拡張することによって実現されます. フォイルは非常に薄いため, 大きなオーム抵抗を防ぐために, これらの拡張フォイル ストリップが多数必要になります. タブが完全に取り除かれるのではなく, フォイルに組み込まれているため, タブレスレスという用語は実際には少し誤解を招きやすいかもしれません. したがって, このブログの残りの部分では, 集積タブおよび集積タビングという用語を使用します.

これが実際にどのように機能するかを説明するために, 集積タブを使用した2つのセルの負極集電体箔の電位分布を以下に示します. タブの構成を除けば, セルは上記の例と同じです. 左側の図では集積タブを1つだけ使用していますが, 右側の例では両側に20個のタブを使用しています. 潜在的な凡例の異なるスケールに注意してください. その差は30 mV 以上です!

1つの集積タブセルをもつ負の電流コレクターにおける電位分布を示すプロット.
20のタブセルをもつ負のコレクターにおける電位分布を示すプロット.

集積タブを使用した2つのセルの負コレクターの電位の比較: 1タブセル (左) と20タブセル (右).

1つの集積タブを使用すると, 潜在的な損失が非常に大きくなり, 局所的な熱源が大きくなります. 多くのタブを持つセルに関しては, 従来のタブを使用するセルよりも潜在的な損失がさらに少なくなります.

集積タブが1つの例は, 極端なものと見なす必要があります. 一方, 必要以上のタブを使用しないことで, 金属と電池の重量を節約したいと考えています. タブ数の影響を解析するために, パラメトリックスイープスタディを実行し, 全分極とセルの最大温度に対してタブ数をプロットできます.

集積タブの数に対する合計セル分極と最大温度を表示するグラフ.
集積タブの数に対する全てのセル分極および最大温度.

グラフに示されているように, かなり急速に漸近線に近づき始めます. 20を超える集積タブストリップを追加しても, セルの分極が55 mV レベル以下に低下しないことがわかります. この残りのセル分極は, 電解液の抵抗や電荷移動反応など, タブの数に影響されない他のプロセスに起因します. また, 温度が非常に高いレベルに達するため, 1つまたは 2つのタブのみを使用することはオプションではないこともわかります. 高温は老化を加速し, 直接的な安全上の危険でもあります.

以下の集積タブと従来のタブの現在の分布を比較すると, 集積タブの方がより均一な分布であることがわかります. また, 集積タビングを使用した場合にまだ残っている小さな分散効果は, 主にジェリーロールの高さ方向に沿って見られるようになりました.

20個の集積タブを使用した場合の層内の電流分布を示すプロット.
従来のタビングを使用した場合の層内電流分布を示すプロット.

20個の集積タブを使用した場合 (左) と従来のタブ (右) を使用した場合の面内方向の電流分布.

熱伝達に関しては, 集積タブにより, ジェリーロールの内部冷却が改善されます. これは, タブが優れた熱伝導体である金属を介して外側の冷却面と熱的に接触しているためです. すべてのタブは, 外部と熱的および電気的に接触しています.

下図は集積タビングによるジェリーロールの温度分布です. このプロットから, 従来のタブを使用した場合と比較して, ここでは温度場がはるかに均一であることがわかります.

20個の集積タブを使用した場合のジェリーロールの温度分布を示すプロット.
20個の集積タブを使用した場合のジェリーロールの温度分布.

終わりに

要約すると, 集積タブは, セルからの電流の伝導と熱の伝導の両方を大幅に改善します. これにより, より大きな半径の円筒形セルを構築することが可能になり, 電池パックの全体的なエネルギー密度と電力密度も高くなる可能性があります. 電池の半径が大きいほど, 電池の内部材料の量と電池の外部ケーシング (缶) の比率が大きくなります. これはまた, Tesla の意図と主張を説明しています.

タブレス設計は, リチウムイオン電池の従来のタブ付けに代わる革新的な方法であることが証明されています. ただし, COMSOL Multiphysics ソフトウェアで評価できる新しいエンジニアリングの課題ももたらします.

次のステップ

コメント (0)

コメントを残す
ログイン | 登録
Loading...
COMSOL ブログを探索