Thermal modelling of new Li-ion cell design modificationsReport as inadecuate

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Forschung im Ingenieurwesen

, Volume 74, Issue 4, pp 215–231

First Online: 11 September 2010Received: 30 July 2010


The effects of material and design modifications on the temperature distribution of Li-ion cells are simulated numerically. A two-dimensional anisotropic cylindrical coordinate model with linear triangular finite elements is used to simulate the steady-state temperature distribution within the cell. The cell’s material and geometry are changed. New cell materials are investigated for thermal performance: a negative electrode of variously-oriented carbon nanotubes, as well as separators made of Separion, of Al2O3 containing Cr particles or of BeO containing Be and Si particles. The cell’s diameter and length are varied. A new cell design with an internal cooling tube is proposed. The effect of cooling tube diameter upon cell temperature and the energy efficiency of cooling are investigated. This simple design change significantly improves the temperature distribution at marginal cost.

List of symbolsAarea m

Acrosscross-sectional area m

Asheat transfer surface area m

cpspecific heat capacity at constant pressure kJ kg K

Dsinternal cooling tube diameter m

Glconstant in infinite eigenvalue series –

gheat generation W m

hheat transfer coefficient W m K

Ielectric current A

kthermal conductivity W m K

Llength, length of the cell, characteristic length m

nnumber of elements in axial direction –

\\dot{q}\heat flow W

\\dot{q} {s}-\heat flux at surface W m

rradius, radial coordinate m

rsinternal cooling tube radius m

r1outer radius of cell winding m

r2outer radius of cell casing m

rdimensionless radial coordinate –

TCelsius temperature °C

Tthermodynamic temperature in 6 K

Tmmean mixed temperature °C

\\overline{T}\volume-weighted mean temperature °C

Uvoltage V

uflow velocity m s

urefreference flow velocity m s

Vvolume m

xaxial coordinate m

xdimensionless axial coordinate –

Greek lettersΔdifference –

Θdimensionless fluid temperature –

λleigenvalue in 10 –

νkinematic viscosity m s

ρmass density kg m

ξaxial coordinate for step change in wall temperature m

ξdimensionless axial coordinate for step change in wall temperature –

Subscriptsconddue to conduction

convdue to convection

critcritical radius

eelectrolyte, inlet



OCopen circuit


sesurface at inlet

stepfor a step change

1inner cylinder, cell winding

2outer cylinder, cell casing

∞state of surroundings

Dimensionless numbersNu=hL-kNußelt number

Pe=uLρcp-kPéclet number

Pr=νρcp-kPrandtl number

Re=uL-νReynolds number

Berechnung der Temperaturverteilung in konstruktiv veränderten Li-Ionen-ZellenZusammenfassung

Der Einfluss neuer Batteriematerialien und konstruktiver Änderungen auf die Temperaturverteilung in Li-Ionen-Zellen wird numerisch simuliert. Ein zweidi-mensionales, anisotropes Modell mit linearen dreieckigen Finiten-Elementen wird zur Simulation der stationären Temperaturverteilung in der Zelle eingesetzt. Als neue Batteriematerialien werden eine negative Elektrode aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen verschiedener Orientierungen sowie Separatoren aus Separion, Al2O3 mit Cr-Praktikeln und BeO mit Be- und Si-Partikeln untersucht. Zelldurchmesser und -länge werden variiert. Eine neue Zellkonstruktion mit einem inneren Kühlrohr wird vorgestellt. Der Einfluss des Kühlrohrdurchmessers auf die Temperaturverteilung in der Zelle und die Energieeffizienz der Kühlung werden untersucht. Diese einfache konstruktive Änderung verbessert die Temperaturverteilung signifikant bei geringen Mehrkosten.

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Author: M. Sievers - U. Sievers - S. S. Mao



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