特斯拉Model S电池模组详细解析

特斯拉Model S电池模组由444个18650电池组成，模组的外形尺寸如图1所示，模组的长度约为68.8cm，宽度大约是30cm，高度约7.9cm，总体积计算为大约0.163m3，表面积约为0.5145m2。模组总质量约为25.4kg，单个18650电池约47g。在特斯拉Model S中，16个模组串联连接，每辆车超过 7100 个电池。

图1  6串74并的电池模组的（a）顶视图，（b）底视图和（c）侧视图   在拆卸模组之前，对该模组进行阻抗测试，采用日置的BT3554电池测试仪，在1 kHz频率下测试正负极端子之间的阻抗，该模组在室温下的 1 kHz 阻抗为 3.25 mΩ。

为了更好地了解模组的热行为，再模组外壳上钻几个孔，温度传感器放置在包装内部和电池模组的表面。温度传感器布置如图2所示，带有蓝色边框的传感器直接连接在电池上，带有红色边框的传感器被安装在模块上的钻孔中，黑色边框表示传感器安装在集流板的顶部。

图2  电池模组温度分布测试温度传感器布置图

设定模块的电压范围为15 V（2.5 V·6）~25.2 V（4.2 V·6），电流选择117.65A。温度分布随时间演变结果如图3所示，图中右上角中传感器的位置用颜色表示。由图可知，温度峰值在传感器203和218的组件中，为48.25°C和47.14°C。在传感器238和225处检测到温度最低值，两者都在27.88°C左右。此外，打开的塑料外壳对温度有显著影响。左侧的温度明显高于右侧。

容量测试结果表明充电容量为222.706 Ah，放电容量为222.704Ah。

图3  各个测试点温度随时间的演变曲线

模组拆解过程如图4和5所示。

图4  （a）断开连接线，（b）断开集流板，（c）移除侧板，（d）提取电池，（e）胶水点

图5  （A）顶盖和底盖塑料板，（B）顶盖和底集流板，（C）绝缘垫，（D）冷却通道，（E）硬质金属板、（F）BMS、（G）硬塑料和（H）电池

拆解后，对每个电池进行目视检查，用日置BT3554测试1kHz阻抗和电压。电压测试量程在-6 V至6 V，分辨率为1 mV；阻抗量程高达300 mΩ，具有10µΩ的分辨率。拆解损坏的电池被处理了，电阻测试结果如图6所示，蓝色表示较低的阻抗，而较高的阻抗用红色表示。检测到明显较高的阻抗在左上角的一个单元格。总的来说，阻抗分布不均匀与位置没有相关性。1 kHz平均阻抗为24.69 mΩ，标准偏差为0.39 mΩ。

图6  电池阻抗

电压测试结果如图7所示，平均电压为3.6 V，标准偏差为0.002 V。在右上角拐角处，并联的74个电池比平均电压略高的，约为1 mV，这可能是由于之前使用了禁用BMS造成的。

图7  电池电压

18650电池拆解过程如图8和9所示。

图8  18650电池拆解过程

图9  拆解后的电极

电池极片的规格如图10所示，负极总长725毫米，宽度60毫米，厚度约180微米。厚度用螺旋测微计测量。极耳焊接到左侧未涂布的铜箔。正极长为665毫米，宽58毫米，厚度140微米。极耳焊接在在极片的中间，宽度为5mm没有涂布的铝箔上。负极的外侧有一个未涂布的区域，约6x7.5 cm²。正极除了在中间极耳处，其他区域都有涂层。负极和正极的总涂层面积分别为780平方厘米和765.6平方厘米，负极多出的正极Overhang面积大约为1.88%。

图10  电池极片规格尺寸

电池各组件质量分析如图11所示，将电池各组分分离，然后称重。电极质量超过电池重量的73%。电池拆解前质量是46.82克，拆解后为44.77克，可能与电解质的蒸发和损失的较，刮擦颗粒掉落有关。包含集流体的电极重34.25克，其中负极15.4克，正极18.85克。外壳包括极耳和用来固定果冻卷的胶带，重量约为8.8克。隔膜重量约1.72克。因此，假设平均电压为3.7 V，容量为3.1 Ah，测量能量密度可以计算为244.98 Wh/kg。

图11  电池组件各部分质量

电极表面和截面形貌如图12和13所示，电极截面形貌图显示正极的厚度约为149µm。铝箔14µm，单侧活性材料层的厚度约为68µm。负极的测量厚度为229µm。铜箔的厚度约为34µm，单侧活性材料层厚度约97µm的。比较千分尺测量的结果，这个测量结果值得怀疑，特别是负极极及其铜箔值。

图12  正极和负极电极的表面形貌

图13  正极和负极电极的截面形貌

电池的CT测试形貌结果如图14所示，所测量的电池直径为18mm，外壳的厚度为0.32mm。对电极的厚度进行了研究，测量了大约40层电极，计算平均负极厚度为184µm，标准偏差为17µm。正极厚度为167µm，标准偏差为25µm。使用千分尺螺丝测量负极厚度180µm，正极140µm，隔膜17µm。两者测量偏差可能是隔膜引起，因为CT扫描无法检测到隔膜。

图14  电池CT测试形貌

电极涂层的空隙迂曲度τ通过下式计算

其中，x为特定空隙体积的函数，所有孔隙率和多孔体的标称密度；Y是一个因子，可从汞孔隙率测定和表面积数据中得出；ε表示样品的孔隙率。在图15，负极颗粒分布及其相对颗粒体积以百分比表示，颗粒直径从1µm到10µm，峰值为5µm，迂曲度估计为τ=2。在图16，正极颗粒分布及其相对颗粒体积以百分比表示，颗粒直径从0.1µm到1µm，峰值为0.4µm，迂曲度估计为τ=2.04。

图15  负极颗粒粒径分布

图16  正极颗粒粒径分布

正负极极片总体参数列表如下

将正负极极片组装成半电池和全电池，电化学性能如图17-19所示。

图17  全电池25°C和1/20 C倍率下的放电曲线（左上）及差分容量（右上）和差分电压（下）

图18  NCA正极半电池的差分电压分析

图19  石墨负极半电池的差分电压分析

图20  负极、正极、全电池放电曲线关联分析（顶部）；半电池、全电池的差分电压峰值关联分析（底部），A表示与阳极的关联，C表示与阴极的关联

编辑：黄飞