在新能源動力電池領域，大尺寸全極耳圓柱電池因其高能量密度、高成組效率等顯著優勢，在近年來備受關注。相比于傳統尺寸圓柱電池，大尺寸圓柱電池具有更高的產熱量和更嚴重的電芯形變。作為典型的復雜工程體系，電池的生產設計涉及多尺度、多物理場耦合的科學問題，這使得目前各類大尺寸圓柱電池，仍缺乏多物理場耦合的底層安全設計架構，限制了其電化學性能與安全性的進一步提升。 
力學所非線性力學國家重點實驗室的研究團隊建立了大尺寸圓柱電池單體的數字孿生模型，為大尺寸圓柱鋰電池的服役安全設計提供了理論指導。相關成果以“Size effect on the thermal and mechanical performance of cylindrical lithium-ion batteries”為題發表在能源類權威期刊Applied Energy上。
研究團隊通過參數化幾何結構，使用力-熱-電-化多物理場耦合仿真方法，建立了大尺寸圓柱電池單體的數字孿生模型(圖1)，揭示了尺寸變化對圓柱鋰離子電池能量密度、產熱行為和力學行為等服役性能的影響。具體表現為：增大電池直徑或高度可同時提升電池理論容量與體積能量密度，質量能量密度也隨高度增大而升高，但隨著直徑的增大，質量能量密度將先升高后減小(圖2)；由于散熱路徑的影響，圓柱電池的熱性能可通過徑高比(D/H)進行表征，在同容量的前提下，徑高比較大的電池在高充放電倍率下具有更低的平均內部溫度與更低的溫度梯度(圖3)；正極與負極不匹配的嵌(脫)鋰形變會使電芯產生內壓外拉的應力狀態，增大電池直徑將顯著惡化該應力狀態，造成內層電芯坍縮和外層電芯斷裂的風險(圖4)。值得注意的是，圓柱電池單體直徑的選擇，需在能量密度、產熱行為與力學行為之間進行權衡。
力學所博士研究生劉錦為論文第一作者，陳春光副研究員和魏宇杰研究員為共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金委(No. 11988102, 12002343)、中國科學院力學所力星計劃(No. E1Z1010901)、北京市重點專項(Z240001)等項目的資助。
圖1.(a)大尺寸全極耳圓柱電池示意圖，(b)偽二維電化學模型，(c)二維軸對稱傳熱模型，(d)一維軸對稱熱力耦合模型
圖2.圓柱電池能量特性隨尺寸的變化規律(a)理論容量，(b)體積能量密度，(c)質量能量密度
圖3.不同充電倍率下4640與26110電池的溫度演化(a)電芯平均溫度，(b)電芯溫度梯度，(c)電芯內部溫度分布云圖
圖4.滿充狀態下4640電池與26110電池的內部應力應變(a)電芯各層環向應變，(b)負極集流體銅箔的環向應力，(c)電芯內部徑向位移云圖
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