Vor Kurzem hat Tesla Inc., ein großer Hersteller von Elektroautos und Akkus, ein neues Designkonzept für zylindrische Lithium-Ionen-Akkus vorgestellt, das bei Experten Aufsehen erregt hat (Ref. 1). Tesla zufolge bringt die Innovation eine deutliche Steigerung der Reichweite und der Leistung unter Verwendung bereits vorhandener Chemien. Für eine Akku-Community, die an jährliche Fortschritte im einstelligen Prozentbereich gewöhnt ist, klang das fast schon zu schön, um wahr zu sein. Wenn man sich jedoch mit der zugrunde liegenden Physik von Akkus befasst, wird schnell klar, warum dieses Konzept unseren zukünftigen Elektrofahrzeugen eine höhere Reichweite verschaffen könnte. In diesem Blog-Beitrag untersuchen wir dieses neue Tabdesign.
Simulation von Akkus mit Tabs
Fangen wir von vorne an: Eine Lithium-Akkuzelle ist wie ein Sandwich aus verschiedenen Schichten aufgebaut – Stromabnehmer-Metallfolien, poröse Elektroden und Separatoren – und wird in ein mit Elektrolyt gefülltes Gehäuse eingesetzt. Die Anordnung des Sandwichs hängt von der Art des Gehäuses ab (Knopfzelle, prismatisch, Beutel, Zylinder usw.). Zylindrische Lithium-Ionen-Akkus werden hergestellt, indem die verschiedenen Schichten des Akkus zu einer zylindrischen Rolle gewickelt werden, die dann in eine Metalldose gelegt wird. Die resultierende Spiralstruktur wird aufgrund ihrer Ähnlichkeit mit einer Biskuitrolle allgemein als „Jelly Roll“ bezeichnet.
Querschnitt einer spiralförmig gewickelten Jelly Roll für einen zylindrischen Akku.
Die Stromabnehmerfolien bestehen in der Regel aus Kupfer (negative Elektrode) und Aluminium (positive Elektrode) mit einer Dicke von etwa zehn Mikrometern oder weniger. Der Grund für die Wahl verschiedener Metalle ist ihre elektrochemische Stabilität bei unterschiedlichen Potenzialen. Um den Strom zur und von der Jelly Roll zur Außenseite, also zum Akkugehäuse, zu leiten, werden zusätzliche Metallstreifen, sogenannte Tabs, an die Stromabnehmer geschweißt. Bei dem einfachsten Tabdesign, das in Akkus mit geringer Leistung verwendet wird, wird auf jeder Seite der Jelly Roll ein Tab angebracht.
Als ersten Ansatz zur Untersuchung der Auswirkungen der Tabs kann ein pseudostationäres Modell erstellt werden, das die ohmschen Spannungsverluste in den elektronischen Leitern und im Elektrolyt sowie die Aktivierungsüberspannungen aufgrund der Ladungsübertragungsreaktionen in den Elektroden berücksichtigt. Die daraus resultierende interne Verteilung des angelegten Akkustroms wird von Elektrochemikern als sekundäre Stromverteilung bezeichnet. Da das Modell weder die Anhäufung noch die Entleerung von Lithiumatomen in den Elektroden oder Lithiumionen im Elektrolyt berücksichtigt, kann es als Momentaufnahme eines Akkus betrachtet werden, der in einem bestimmten Ladezustand „eingefroren“ ist. In der Realität ändert sich die lokale Konzentration im Laufe der Zeit, wenn der Akku geladen oder entladen wird. Ein Sekundärstromverteilungsmodell kann jedoch die Spannungsverluste in der Jelly Roll zu einem bestimmten Zeitpunkt bei einem bestimmten Ladezustand genau vorhersagen.
Potential in den negativen (links) und positiven (rechts) Stromabnehmerfolien in Bezug auf die entsprechenden Stromanschlüsse.
Die Abbildungen zeigen die Potentialverteilung in den negativen und positiven Stromabnehmern eines zylindrischen Akkus bei einer Entladung mit 1C. 1C ist der äquivalente Strom, der zum Laden oder Entladen des Akkus in einer Stunde erforderlich ist. Die Größe dieser Jelly Roll entspricht dem Gehäuse eines Akkus des Typs 18650, der 65 mm hoch ist und einen Durchmesser von 18 mm hat. Wir stellen fest, dass die Potentialverluste in den Stromabnehmern zwar relativ gering, aber nicht zu vernachlässigen sind. Bei einer größeren Zelle wie der 4680-Zelle (80 mm hoch und 46 mm im Durchmesser), die Tesla herstellen möchte, würden die Potentialverluste bei einem herkömmlichen Tabdesign erheblich werden.
Da unser Modell auf physikalischen Grundlagen basiert, können lokale Wärmequellen auf der Grundlage der Ohmschen Verluste (Joulesche Erwärmung) und der Aktivierungsüberspannungen leicht abgeleitet werden. Wenn wir unsere Variable für die Wärmequelle in ein Wärmetransportmodell eingeben, erhalten wir das folgende Ergebnis.
Temperaturverteilung in der Jelly Roll.
Hier wenden wir eine konvektive Kühlbedingung auf den äußeren Bereich der Jelly Roll an und schreiben einen Kühlwärmestrom vor, der proportional zur Differenz zwischen Oberflächentemperatur und Außentemperatur (25 °C) ist. Die durch die elektrischen Anschlüsse an den Enden der Tabs geleitete Wärme wird ignoriert.
Bei Betrachtung der Temperaturverteilung ist ein steiler Temperaturanstieg in den Tabs zu erkennen. Dies deutet darauf hin, dass die Joulesche Erwärmung in den Tabs selbst bei moderaten Strömen zu einer erheblichen lokalen Erwärmung dieses relativ kleinen Akkus führt. Der lokale Temperaturunterschied kann sich auch auf die angrenzenden Elektrodenschichten ausbreiten, was dazu führt, dass Teile des Akkus schneller altern, was wiederum die Lebensdauer des gesamten Akkus verkürzt.
Die tatsächliche Geometrie des Akkus kann bei der Modellierung und Simulation etwas unhandlich sein. So ist etwa das Zeichnen von Objekten in einer Spiralgeometrie eine Herausforderung, wie das Hinzufügen mehrerer Tabs im Inneren der Jelly Roll. Darüber hinaus ist es schwierig, die Ergebnisse innerhalb der Spiralschichten zu visualisieren, wie beim Plot der Stromdichte durch die Separatoren an verschiedenen Positionen in der Rolle.
Modellierung einer abgeflachten Jelly Roll
Alternativ kann dasselbe Modell auch auf einer abgeflachten (ausgerollten) Version der Akkugeometrie definiert werden. Dadurch können wir einfach Tabs hinzufügen und das Modell und die Simulationsergebnisse besser betrachten. Stattdessen kann der Akku virtuell aufgerollt werden. In der folgenden Abbildung ist eine flache Version der Jelly Roll dargestellt, bei der die verschiedenen Schichten und Tabs als rechteckige Blöcke gezeichnet wurden.
Abgeflachte Darstellung der Akkugeometrie.
In der Realität kommt es bei der Herstellung der Jelly Roll aus dem Stapel von Schichten zu einem Kontakt zwischen dem vorderen (grünen) Rand und der Rückseite des Stapels aus rechteckigen Blöcken (siehe Abbildung oben). Im abgeflachten Modell werden spezielle Kopplungsrandbedingungen verwendet, in der Software COMSOL Multiphysics® sogenannte nichtlokale Kopplungen, um diese nun geometrisch getrennten Ränder mathematisch miteinander zu verbinden. Dies ist mit dem virtuellen Rollen des Akkus gemeint.
Die flache Geometrie hat auch den Vorteil, dass weniger Netzelemente benötigt werden, da die lokale Krümmung der Rolle nicht aufgelöst werden muss. Erfreulicherweise gibt das Temperaturprofil für die flache Geometrie die Ergebnisse (siehe oben) genau wieder, was darauf hindeutet, dass wir diese flache Transformation mit nur geringen Auswirkungen auf die Ergebnisse durchführen können.
Temperatur (°C) in der abgeflachten Jelly Roll.
Die flache Geometrie ermöglicht nun eine einfache Visualisierung der Stromdichte durch den Separator, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.
Stromverteilung (A/m2) durch die Ebene eines der Separatoren.
Solche Stromverteilungsdiagramme geben dem Akkuentwickler wertvolle Einblicke. In diesem Fall zeigt das Diagramm in der Nähe der Tabs eine deutlich höhere Stromdichte. Dies bedeutet, dass der Akku in der Nähe der Tabs einem stärkeren elektrochemischen Verschleiß ausgesetzt ist, was zu einer beschleunigten Alterung führt. Wenn die Zelle länger laufen würde, würden sich die oben gezeigten Stromverteilungsdiagramme schließlich zu einem einheitlicheren Profil ausgleichen. Bei einem Akku, der kürzer um einen festen Ladezustand herum zyklisch betrieben wird (z. B. ein Lastausgleichs-Akkusystem), ist unsere obige Einschätzung der Stromverteilung jedoch ziemlich genau.
Untersuchung integrierter Tabdesigns in COMSOL Multiphysics
Nun verwenden wir den zuvor erwähnten Modellierungsansatz, um das sogenannte Tabless-Design zu untersuchen.
Das Tabless-Konzept verzichtet auf die zusätzlichen Metallstreifen und lässt stattdessen die Metallfolien der Stromabnehmer den Strom nach außen leiten. Dies wird durch eine Verlängerung der Folien bis über die Elektrodenbereiche hinaus erreicht. Da die Folien sehr dünn sind, wird eine Vielzahl dieser verlängerten Folienstreifen benötigt, um große ohmsche Widerstände zu vermeiden. Der Begriff „tabless“ ist eigentlich etwas irreführend, da die Tabs in die Folien integriert sind und nicht vollständig entfernt werden. Daher verwenden wir im weiteren Verlauf dieses Blog-Beitrags den Begriff integrierte Tabs.
Um zu veranschaulichen, wie dies in der Praxis funktioniert, ist nachfolgend die Potentialverteilung in der negativen Stromabnehmerfolie für zwei Zellen mit integrierten Tabs dargestellt. Abgesehen von der Tabkonfiguration sind die Zellen identisch mit den vorherigen Beispielen. In der linken Abbildung wird nur ein integrierter Tab verwendet, während im rechten Beispiel 20 Tabs auf jeder Seite verwendet werden. Die unterschiedlichen Skalen der Potentiallegenden sind zu beachten. Der Unterschied beträgt mehr als 30 mV!
Ein Vergleich des elektrischen Potentials im negativen Stromabnehmer für zwei Zellen mit integrierten Tabs: 1 Tab (links) und 20 Tabs (rechts).
Die Verwendung von nur einem integrierten Tab führt zu sehr großen Potentialverlusten, was große lokale Wärmequellen zur Folge hat. Bei der Zelle mit vielen Tabs sind die Potentialverluste sogar noch geringer als bei der Zelle mit herkömmlichen Tabs.
Das Beispiel mit eines integrierten Tabs sollte als Extremfall betrachtet werden. Andererseits wollen wir an Metall und Akkugewicht sparen, indem wir nicht mehr Tabs als nötig verwenden. Um die Auswirkungen der Anzahl der Tabs zu untersuchen, können wir einen parametrischen Sweep durchführen und die Anzahl der Tabs gegen die Gesamtpolarisation und die maximale Temperatur der Zelle plotten.
Gesamtzellpolarisation und maximale Temperatur im Verhältnis zur Anzahl der integrierten Tabs.
Wie in der Grafik dargestellt, wird relativ schnell eine Asymptote angenähert. Es ist zu erkennen, dass die Zellpolarisation durch das Hinzufügen von mehr als 20 integrierten Tabs nicht unter den Wert von 55 mV sinkt. Diese verbleibende Zellpolarisation ist auf andere Prozesse zurückzuführen, die nicht von der Anzahl der Tabs beeinflusst werden, wie der Widerstand des Elektrolyts und die Ladungsübertragungsreaktionen. Auch die Verwendung von nur einem oder zwei Tabs ist keine Option, da die Temperaturen sehr hohe Werte erreichen. Eine hohe Temperatur beschleunigt den Alterungsprozess und stellt außerdem ein direktes Sicherheitsrisiko dar.
Ein Vergleich der Stromverteilungen zwischen integriertem und traditionellem Tabdesign zeigt, dass die Stromverteilung bei integrierten Tabs gleichmäßiger ist. Außerdem treten die geringen Verteilungseffekte, die bei integrierten Tabs noch vorhanden sind, jetzt hauptsächlich entlang der Höhenrichtung der Jelly Roll auf.
Stromverteilung durch die Schichten bei Verwendung von 20 integrierten Tabs (links) und von traditionellen Tabs (rechts).
Beim Wärmetransport führen integrierte Tabs zu einer verbesserten Innenkühlung der Jelly Roll. Dies liegt daran, dass die Tabs über einen hervorragenden Wärmeleiter, das Metall, in thermischem Kontakt mit der äußeren Kühlfläche stehen. Jeder Tab steht in thermischem und elektrischem Kontakt mit der Außenseite.
Die folgende Abbildung zeigt die Temperaturverteilung der Jelly Roll mit integrierten Tabs. Aus diesem Plot ist ersichtlich, dass das Temperaturfeld hier im Vergleich zum Fall mit traditionellen Tabs viel gleichmäßiger ist.
Temperaturverteilung (°C) bei Verwendung von 20 integrierten Tabs.
Schlussbemerkungen
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das integrierte Tabdesign sowohl die Stromleitung als auch die Wärmeableitung aus der Zelle erheblich verbessert. Dadurch können zylindrische Zellen mit größerem Radius gebaut werden, was auch zu einer höheren Gesamtenergie und Leistungsdichte von Akkupacks führen kann. Ein größerer Akkuradius bewirkt ein größeres Verhältnis zwischen der Menge des internen Akkumaterials und dem externen Gehäuse (der Dose) des Akkus. Dies erklärt auch Teslas Behauptungen.
Das Tabless-Design für Lithium-Ionen-Akkus erweist sich als innovative Alternative zum traditionellen Tabdesign. Es bringt jedoch auch neue technische Herausforderungen mit sich, die in der Software COMSOL Multiphysics bewertet werden können.
Nächste Schritte
- Laden Sie diese Tutorial-Modelle herunter, um weitere Beispiele für die Simulation von Jelly Rolls zu sehen:
- Lesen Sie diese thematisch verwandten Blog-Beiträge:
- Schauen Sie sich Teslas Präsentation zur Tabless-Methode an
Referenz
- A. J. Hawkins, “Tesla announces ‘tabless’ battery cells that will improve range of its electric cars”, The Verge, 22 Sep. 2020; https://www.theverge.com/2020/9/22/21449238/tesla-electric-car-battery-tabless-cells-day-elon-musk
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