特斯拉推出了 4680 锥形极板，其半径为 46 毫米，高度为 80 毫米，采用全新的极耳电极设计，这对于大半径锥形电池的电物理和热均匀性至关重要。 然而，4680锥形电池是专门为特斯拉汽车设计的。 不同的汽车需要不同规格的锥形板。 各电板厂家也相继开发出46系列锥形电板。 例如，三星SDI正在研究半径为46mm、高度更小的46xxx电板。 比克还尝试了21毫米至46毫米之间的各种半径，以及70毫米至140毫米之间的各种高度。 日本汽车制造商保时捷宣布使用 46xxx 锥形电镀。

46xxx锥体具有灵活性而不是固定高度，可能会成为新的标准锥体。 为此，需要深入了解高度对结构部件和电池性能的影响，并且特定车辆所需的电池高度还与车辆的发动机、冷却系统等有关。另一方面钢托盘尺寸，电池的半径也会影响电池系统的设计。 由于半径会影响电池系统中电池的数量，因此需要进行串并联设计。 在性能方面，电池的半径还影响比表面积和散热能力。

电池系统的热管理是优化快充性能的关键，而外壳材料对电池内部导热以及锥形电池的散热能力影响很大。 常见的电池外壳材料包括碳钢和铝。 铝的延伸率和硬度较低，因此与碳钢外壳相比，需要更大的壁厚来保证电池的机械性能，这会影响电池体积和质量能量密度。

大众娱乐电池的内部结构设计，如全极耳的设计、圆柱电池的线圈针半径等，都会进一步影响容积效率。 电极的规格设计还与结构部件（如壳体的长度、绕线针的半径和绕线芯的剩余高度）有关。

如图1所示，以比克锥形电池的结构为基本模型，考虑的电池结构规格包括电池半径dcell、高度hcell、极柱半径、正负极非活性元件高度ano、ca、集流体毛坯高度cu、al、卷芯空芯半径dcore等。当采用铝材作为外壳时，负极必须与外壳相连，正极必须与极相连。 如果铝壳接负极，就会发生腐蚀。

图型号电池

包芯纱设计

大众娱乐设计电池时，根据阿基米德螺线公式估算卷芯的规格，影响电极总厚度的参数包括电极长度、卷芯空芯半径、正负极宽度和位置的布局。

卷芯空心半径需要考虑电池点焊等组装工艺、卷芯内部电极的曲率以及电池安全失效时的泄压效果。 根据经验，电芯空芯半径与电池半径的关系为：

商用18650和21700电池的中空半径范围为3.0mm至4.65mm。

集电器毛坯设计

假设图1所示的正负极侧非活性元件的高度，ano,…,ca主要取决于电池工艺钢托盘尺寸，与电池规格无关。

集流体和电池组件的内阻假设四种情况：

案例1——与容量成正比，利用该型号电池的参考电阻Rser,ref,i和参考容量Ccell,ref来估算其他型号电池的电阻。

情况 2 - 与收集盘直径成比例

大众娱乐情况3-无论电池半径和高度如何，内阻与型号电池相同

情况4——完美的全极耳设计，内阻为0

电池外壳设计

电池外壳需要承受各个安全测试的压力，包括挤压和跌落。 对于不同型号的电池，可以根据壳体的材质，通过调整壳体壁厚的形式来承受电池的最大内压。 根据外壳壁厚和材料的极限伸长硬度估算电池的爆炸压力：

根据21xxx型号电池的参数估算其他型号的壁厚

使用适用于钢制和铸铝外壳的 46 毫米半径电池进行测试

电池热设计

电物理伪二维（P2D）模型与热模型相结合用于估计当地气温和热量。

根据上述建模分析，电池形状规格与相应参数的关系如图2所示。卷芯空心半径dcore、钢壳或铝壳壁厚与电池半径的关系如图2a所示。 不同高度的铜和铝集流体之间的关系随电池半径的变化而变化，如图2b所示。 正负极不活动元件的高度不随电池半径的变化而变化（图2c）。

大众娱乐图2 电池规格与相应参数的关系

大众娱乐电池半径对能量密度的影响

由于电池的横截面积与电池的半径呈二次关系，因此图3a）和b）中的电极宽度也与半径呈二次函数。 而且，随着卷芯半径和壁厚的减小，电极厚度并不完全与电池半径dcell的平方2成正比。 出于同样的原因，定子的数量并不完全与电池半径成线性关系，而是与电池半径与非活性铁芯半径和壁厚之差有关。 为此，在分析体积能量密度、体积效率和重力能量密度时，如图3c)-f)所示，对于相同高度，由于壁与空心面积之比减小，能量密度随半径增大而减小。 一般来说，较大的电池半径不仅有利于成本的增加，而且有利于体积和重力能量密度的增加。

电池高度对能量密度的影响

图3a）和b）中的电极宽度和定子数量与电池高度无关，而仅由结构装置的横截面决定。 然而，涂层高度是由电池的高度决定的，因此，从图3可以推断，对于假设的生产技术，锥形电池的体积能量密度、体积效率和重力能量密度随着高度的减小而增加。 随着电池高度和电镀高度之间的百分比减小，这些增益会收敛。 因此，电池越小，就越能从降低的高度中受益。 这可能是保时捷和许多电池制造商决定开发4690、46120等高度降低的电池的诱因。

大众娱乐图 3. 全片电池的几何形状和能量与电池半径的关系，左：铝壳，右：钢壳。 a) 和 b) 电极宽度和卷绕铁芯定子数量，c) 和 d) 体积能量密度和体积效率，e) 和 f) 质量能量密度与电池半径的函数关系。 每条曲线代表一个高度。

外壳材料对能量密度的影响

图3中的分析可以分为两种影响：铝壳和钢壳两种材质的影响。 一般来说，对于相同规格的钢板，电极宽度和定子数量较大，因为它们的壁厚较薄，而为了保持外壳的抗压硬度，铝外壳需要较大的壁厚。 根据本研究的模型假设，只有4680铝电池可以提供676.0Wh/L的体积能量密度，而同规格的钢壳电池只能提供694.8Wh/L的体积能量密度，比钢壳电池低约2.8%。 根据公式估算，铝壳和钢壳电池的体积效率分别为79.35%和81.55%。 然而，图3e）和f）中质量能量密度的比较显示了相反的结果。 虽然钢电池的外壳长度仅为铝电池的0.55-0.65倍（图3a），但钢的密度几乎是铝合金外壳的三倍。 为此，钢壳电池的外壳绝对重量在铝壳的1.65-1.95倍之间。 由于上述原因，4680铝电池提供了272.6Wh/kg的质量能量密度，而同规格的钢电池仅提供了244.5Wh/kg的质量能量密度。 为此，钢壳电池的质量能量密度比铝壳电池提高了约10%。