机械应力导致电动汽车锂离子电池短路的量化建模

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机械应力导致电动汽车锂离子电池短路的量化建模
以锂离子电池(LIBs)为动力的电动汽车(EV)是实现全球能源优化和环
境可持续性的重要途径。与其他工业产品不同，电动汽车经历的环境要复
杂得多，特别是在机械碰撞、过热和过充等恶劣条件下，这些可能会引发
电池安全问题。近日，重庆大学副教授刘冰河与北航博士生段旭冬为共同
第一作者，合作单位包括美国北卡罗纳大学夏洛特分校，宁波大学、美国
可再生能源国家实验室、英国捷豹路虎公司，共同在国际能源类著名期刊
Journal of Materials Chemistry A 上发文，利用实验表征和数值模拟相结
合的方法，揭示了锂离子电池在多种机械载荷下触发的不同短路程度及短
路发展物理过程及机理。
一、研究背景：
通常，内部短路(ISC)被认为是电池安全问题的起点，随后可能发生热
失控、甚至火灾/爆炸。外部因素如机械滥用、内部因素如颗粒膨胀/碎裂、
锂枝晶生长，都会导致电池组件材料失效，形成内部短路。实验方面，现
有研究常通过电池力学加载实验，同时记录负载、温度、电压-时间(位移)
曲线，揭示电池的内部短路行为与机械变形之间的关系，也有研究基于 x
射线计算机断层扫描技术，原位或异位对加载的电池进行观察，加深对机
械滥用导致短路的机理理解。但由于时间和空间分辨率的限制，很难捕捉
到在 ISC 触发前/触发时电池内隔膜的失效，且在机械变形下对如此复杂的
结构进行原位表征并获得满意的分辨率在技术上是困难的。另一方面，数
值模拟提供了一个深入分析电池力学细节和短路机理的有效工具，现有研究建立了均质化、细致化电池模型以及基于应力/应变的电池短路判据，但
现有研究仅关注了显著电压下降的短路情况，即硬短路状态。由于目前依
然缺乏机械滥用条件下短路机制的了解，这样的短路判据没有全面描述短
路与电池变形、损伤的关系，具有有限的通用性。
二、核心内容
以 21700NCM(镍钴锰氧化物)/石墨圆柱形 LIB 为目标样品，容量为
4000 mAh，充放电截止电压分别为 4.2V 和 2.7V。该电池是由电池壳、卷
芯(包括正、负极、隔膜和电解液)和安全阀组成。为了安全和方便在实验过
程中捕捉 ISC 行为，所有电池都充分放电，然后在 0.1 C 下提前充电至 0.1
SOC，所有测试都在室温下进行。
（1）实验方法
如图 1，正、负极材料（包含集流体与涂层）具有明显的拉压异性特
征，因此需要开展面内拉伸与面外叠片压缩实验获取其力学参数；隔膜具
有各向异性特征，开展不同角度拉伸试验取平均应力-应变曲线作为最终力
学参数。为探究各组分在机械载荷下的渐进损伤机理，利用显微镜同步观
察并记录正负极材料拉伸变形-断裂过程，开展异位实验，压缩正负极、隔
膜叠片样品到不同位移，拆解观察各组分损伤情况，标定材料数值模型的
损伤模型参数。最后开展正负极、隔膜叠片的压痕实验，验证力学参数及
模型损伤参数。采用径向压缩、压痕、三点弯曲和偏移压缩四种典型加载条件，研究应力
与 ISC 的关系。在压缩实验中，在加载前除去电池壳的负极端，使用热成
像仪检测电池底部截面的温度分布，使用数据采集器记录电池正负极两端
电压，力学加载实验机施加载荷，同步记录位移-载荷数据，额外采用电化
学工作站对加载到不同压缩位移的电池开展电化学阻抗谱（EIS）测试，使
用多种实验数据，有利于综合分析并识别出不同电池内部状态。在三点弯、
压痕试验和偏移压缩中，电池壳保持完整，使用数据采集器同时记录电压
和温度，在压头正下方的电池表面上选择了两个温度测量点，其中，偏移
压缩为压板只挤压接近负端样品的一半。
图 1 电池各组分及单体实验方法

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