電池化學(xué)和希望的改進(jìn)得到了很多關(guān)注，這是合法的。即使是這種化學(xué)成分的適度改進(jìn)也可以轉(zhuǎn)化為更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間或車輛范圍，更好的性能與溫度相比，以及許多其他好處。似乎每天都有人在學(xué)術(shù)研究或創(chuàng)業(yè)模式中宣布在更好的化學(xué)方面取得突破。

　　在我們的職業(yè)生涯中，從實(shí)驗(yàn)室改進(jìn)到試運(yùn)行再到在商業(yè)環(huán)境中全面生產(chǎn)的道路是一段非常漫長(zhǎng)而艱難的攀登之路，許多看似有希望的改進(jìn)在此過(guò)程中都失敗了。這就是現(xiàn)實(shí)情況：重大突破很難獲得，而進(jìn)展往往是隨著時(shí)間的推移而積累的非常小的進(jìn)步。

　　但是，提高電池性能還有另一個(gè)關(guān)鍵方面，這與引人注目的化學(xué)反應(yīng)是分開(kāi)的，尤其是在電動(dòng)汽車等大型包裝中使用時(shí)， 圖1.單個(gè)電池的物理結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)中的權(quán)衡對(duì)電池組和系統(tǒng)級(jí)性能有重大影響。

　　圖1 使用大量緊密包裝的電池(例如2017年雪佛蘭Bolt EV)的電氣，熱，機(jī)械和其他設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)隨著電池?cái)?shù)量的增加而急劇增加。資料來(lái)源：雪佛蘭/通用汽車通過(guò)汽車和司機(jī)

　　此外，電池的包裝和電連接方式以及用作電池觸點(diǎn)的“標(biāo)簽”起著重要作用。這尤其復(fù)雜，因?yàn)閱蝹€(gè)細(xì)胞本身甚至一個(gè)小簇的電和熱行為與密集的細(xì)胞聚集體的電和熱行為大不相同。

　　我一直在關(guān)注電池設(shè)計(jì)、制造和組裝方面的研發(fā)，原因有兩個(gè)：首先，那里取得了重大但往往未被承認(rèn)的進(jìn)展，而且往往與鋰離子化學(xué)的進(jìn)步一樣有意義;此外，就個(gè)人而言，高級(jí)化學(xué)在我看來(lái)就像是某種煉金術(shù)士的魔法。(我根本不是說(shuō)是，只是對(duì)于那些從未“理解”過(guò)化學(xué)課上最基本的原理的人來(lái)說(shuō)，這就是感覺(jué)。

　　電池的制造和封裝方面通常側(cè)重于標(biāo)準(zhǔn)尺寸，例如廣泛使用的18650電池(65毫米高，18毫米半徑， 圖2)以及更大的單元，例如正在逐步引入的4680單元(高80毫米，半徑46毫米)。可能有機(jī)會(huì)改變他們的物理設(shè)計(jì)和安排，從而以很少或沒(méi)有成本進(jìn)行整體改進(jìn)。

　　圖2 最常見(jiàn)的鋰基電池具有18650名稱，前兩位數(shù)字表示公稱直徑，接下來(lái)的兩個(gè)數(shù)字表示長(zhǎng)度，最后一位數(shù)字表示圓形。來(lái)源： 速賣通

　　兩篇密切相關(guān)的論文(參考文獻(xiàn)1和2)詳細(xì)研究了可能的新結(jié)構(gòu)，用于制造電池層并將電池滾動(dòng)成電池芯(稱為“果凍卷”)，以及創(chuàng)建將電流帶入和帶出電池的標(biāo)簽。

　　我發(fā)現(xiàn)有趣的是，這些論文使用 COMSOL(一種使用非常廣泛的有限元分析求解器和仿真軟件包)進(jìn)行了廣泛的多物理場(chǎng)建模，以同時(shí)研究與機(jī)械設(shè)計(jì)、電池內(nèi)的電流路徑和熱問(wèn)題相關(guān)的相關(guān)問(wèn)題。與一些善意的學(xué)術(shù)論文傾向于掩蓋模型的局限性(并非所有人都這樣做，但許多人必須這樣做才能完成項(xiàng)目)不同，這些論文對(duì)模型假設(shè)、使用的簡(jiǎn)化以及他們選擇的一些權(quán)衡的性質(zhì)相當(dāng)清晰和直接。

　　例如，一篇論文的作者指出：“在螺旋幾何形狀中繪制對(duì)象是很棘手的，例如在果凍卷的內(nèi)部添加多個(gè)標(biāo)簽。此外，很難可視化螺旋層內(nèi)部的結(jié)果，例如在輥?zhàn)又胁煌恢美L制通過(guò)分離器的電流密度。因此，他采用了扁平幾何形狀，可以輕松可視化交叉分離器電流密度， 圖3.

　　圖3 電流分布(A/m2) 在其中一個(gè)分隔符的通平面方向上建模。來(lái)源：康索

　　本文還研究了所謂的“工作臺(tái)”設(shè)計(jì)可能帶來(lái)的好處，其中額外的金屬連接片被移除。取而代之的是，它們被延長(zhǎng)電池果凍卷的箔片以到達(dá)電極區(qū)域之外來(lái)代替。為了最大限度地減少歐姆損耗，并聯(lián)使用這些基于箔的擴(kuò)展片的倍數(shù)。

　　圖4 使用集成的單片電池(左)和20片(右)的負(fù)集電器中的電勢(shì)比較顯示出實(shí)質(zhì)性的差異。來(lái)源：康索

　　多物理場(chǎng)仿真研究了負(fù)集流體箔中的電位分布，并發(fā)現(xiàn)了顯著差異。具有單個(gè)傳統(tǒng)電池的電池比具有20個(gè)標(biāo)簽的電池的電池具有30 mV的損耗，這是相當(dāng)可觀的。此外，與傳統(tǒng)的單片相比，電池內(nèi)箔層中的電流分布更加均勻，具有多個(gè)集成，從而帶來(lái)更好的整體性能以及更均勻的熱條件。

　　電池化學(xué)成分顯然很重要，需要改進(jìn)是受歡迎的。與此同時(shí)，電池不僅僅是受到如此多關(guān)注的化學(xué)成分。多選項(xiàng)卡方法在生產(chǎn)中是否可行?它的好處是否超過(guò)消極方面?它是否長(zhǎng)期可靠或有任何缺點(diǎn)?

　　這些都是需要進(jìn)一步調(diào)查的合理問(wèn)題，不容易回答。我們可以肯定的是，當(dāng)涉及到大多數(shù)電子元件(也許尤其是電池)時(shí)，從概念到實(shí)驗(yàn)室，從試運(yùn)行到全面生產(chǎn)可靠、具有成本效益的單元，都有一條漫長(zhǎng)而具有挑戰(zhàn)性的道路。與引導(dǎo)IC世界的思維方式不同，電池等電化學(xué)設(shè)備不容易在產(chǎn)量上擴(kuò)展，并且不受摩爾“定律”的約束。