對(duì)于電芯而言，外力沖擊，速率越高，可承受的力值越??；成組以后的電芯，可以承受更大的沖擊變形，這些現(xiàn)象都是怎么回事。

 

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（一）

 

外力作用，造成電池機(jī)械結(jié)構(gòu)的破壞，進(jìn)而發(fā)生熱失控甚至燃爆事故，這是電動(dòng)汽車作為道路車輛遇到交通事故時(shí)，有可能發(fā)生的情形。MIT研究人員針對(duì)碰撞過(guò)程中鋰電池在大中小尺度下發(fā)生的變化進(jìn)行梳理，論文《A review of safety-focused mechanical modeling of commercial lithium-ion batteries》于2017年12月發(fā)表在電源雜志上，作者Juner Zhu等。

 

 

1介紹：多尺度下LIBs力學(xué)性能的研究

 

2017年推出的Chevy Bolt和特斯拉Model 3標(biāo)志著汽車行業(yè)的新紀(jì)元。兩輛車一次充電的距離超過(guò)200英里，并且擁有一個(gè)普通人也能負(fù)擔(dān)的起的價(jià)位。根據(jù)瑞士聯(lián)合銀行的綜合報(bào)告，汽油機(jī)和電動(dòng)汽車的成本齊平的時(shí)間，將比原先預(yù)期的提前2 - 3年。這一趨勢(shì)主要?dú)w因于鋰離子電池在能量容量和電池組價(jià)格幾個(gè)方面的成本同時(shí)下降帶來(lái)的進(jìn)步。

 

 

 

 

預(yù)計(jì)特斯拉Model 3的年產(chǎn)量將達(dá)到50萬(wàn)輛，通用汽車的Bolt產(chǎn)量稍遜于特斯拉。全新的日產(chǎn)Leaf續(xù)航達(dá)到150 - 200英里范圍，將在2018年上市?？傊珽V的總存量，已經(jīng)在2016年越過(guò)百萬(wàn)臺(tái)，現(xiàn)在又到達(dá)了一個(gè)質(zhì)變的新起點(diǎn)上。國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，到2025年，全球道路上將會(huì)有多達(dá)1億輛汽車。數(shù)量如此之大，統(tǒng)計(jì)規(guī)律必然會(huì)發(fā)揮作用，電動(dòng)汽車將會(huì)遇到與傳統(tǒng)燃油車一樣的事故率。必須回答的問(wèn)題是，電動(dòng)汽車將遇到哪些燃油車沒(méi)有的新問(wèn)題？

 

 

 

 

圖1. LIBs的力學(xué)性能研究涉及多個(gè)尺度和學(xué)科，并且已經(jīng)提出了各種模型來(lái)表征LIB在每個(gè)長(zhǎng)度尺度下的力學(xué)行為。

 

 

人們普遍認(rèn)識(shí)到，如果電池組在事故中撕裂或損壞，則可能存在電池?zé)崾Э?，火?zāi)和爆炸。有幾起事故，幾乎可以說(shuō)是廣為人知。特斯拉Model S型車在撞上障礙物后起火，說(shuō)明駕駛電動(dòng)汽車確實(shí)存在額外的危險(xiǎn)。隨著鋰離子電池和電池組容量的不斷增加，在車禍中能夠短時(shí)間釋放出更多能量，使得事故的危險(xiǎn)性也在增加。汽車行業(yè)，電池制造商，監(jiān)管機(jī)構(gòu)比如美國(guó)的NHTSA、德國(guó)的BAM以及保險(xiǎn)業(yè)，應(yīng)該準(zhǔn)備好應(yīng)對(duì)這一突出問(wèn)題。

 

本文意在回顧碰撞事件中，電池承受機(jī)械負(fù)荷這個(gè)問(wèn)題的研究進(jìn)展。雖然有關(guān)電池電化學(xué)和熱管理研究已經(jīng)比較多，但由于機(jī)械負(fù)荷導(dǎo)致的電池響應(yīng)和失效問(wèn)題的研究卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于當(dāng)前的需要。在此之前，安全問(wèn)題，主要是通過(guò)媒體曝光，進(jìn)入大眾視野，帶來(lái)社會(huì)影響，但主要還是停留在談資的階段。在短期即將到來(lái)的未來(lái)，安全問(wèn)題則已經(jīng)實(shí)實(shí)在在的影響到社會(huì)經(jīng)濟(jì)和個(gè)人生活的層面，鋰離子電池的碰撞安全應(yīng)該得到適當(dāng)?shù)年P(guān)注。

 

 

預(yù)防熱過(guò)熱和電池電過(guò)充電等的安全問(wèn)題相關(guān)文獻(xiàn)比較多，而本文回顧的重點(diǎn)放在剛性物體侵入電池單元，模塊和電池組。電池組通常放置在汽車最不易變形的部位。但機(jī)械負(fù)荷仍然可能在碰撞事故中傳導(dǎo)至電池包，尤其是在側(cè)面碰撞，道路碎片沖擊和小重疊碰撞測(cè)試中。由于碰撞期間的減速帶來(lái)的沖擊力，外部絕緣也可能損壞。這些類型的故障模式非常依賴于設(shè)計(jì)，電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)更有責(zé)任考慮處理相關(guān)情況，而機(jī)械部分反而次之。

 

電池安全性的研究涉及多尺度。因此，本文分為三部分，分別討論在特定尺度前提下，電池的安全問(wèn)題，并在此基礎(chǔ)上，說(shuō)明進(jìn)一步研究的方向。文章以簡(jiǎn)單易懂的表格形式介紹了過(guò)去十年研究的主要發(fā)現(xiàn)，其中包括不同形狀商業(yè)化電池的典型參數(shù)，不同類型電芯賦予不同“形狀因子”。重點(diǎn)回顧的文獻(xiàn)，主要具備兩個(gè)方面的特征，首先，文獻(xiàn)需要解釋電芯破壞和失效的具體過(guò)程和原理，形成短路和熱失控的主要影響因素有哪些；其次，是涉及計(jì)算機(jī)仿真模型的，詳細(xì)闡述了哪些測(cè)試參數(shù)需要考慮到有限元仿真模型計(jì)算中去。

 

 

2 第一部分：微尺度和中尺度：電池組元件的本構(gòu)模型

 

目前市場(chǎng)上商用鋰離子電池的卷繞式電芯（或電極堆）是一種多層結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2a），一個(gè)可重復(fù)的單元由一個(gè)陰極，一個(gè)陽(yáng)極和一個(gè)兩層隔膜組成。

 

 

表格1

 

 

 

陰極集電極由鋁箔制成，其兩側(cè)由活性材料和粘合劑涂覆。同樣，陽(yáng)極由涂有石墨（或硅）顆粒的銅箔構(gòu)成。所有組件浸入電解質(zhì)中，并用鋁塑膜或鋼殼包裹。不同電池制造商，各部件的化學(xué)成分和材料可能會(huì)有所不同，但這種可重復(fù)部件的基本結(jié)構(gòu)幾乎完全相同。圖2（ b）- （ c）顯示了NMC（鎳 - 錳 - 鈷）陰極，石墨陽(yáng)極和微孔聚丙烯隔膜的商用鋰離子電池組件的交叉部分。表格1定性描述每個(gè)部件的機(jī)械特性。在本節(jié)的其余部分中，將詳細(xì)介紹所有組件的機(jī)械特性。

 

術(shù)語(yǔ)“形狀因子”區(qū)分軟包電芯，方形電芯，橢圓形電芯和圓柱形電芯。軟包電池的尺寸可以從手機(jī)中的小電池到EV應(yīng)用的大型二次電池。例如在特斯拉model S型中使用的最常見(jiàn)的圓柱形電池18650的直徑為18毫米，長(zhǎng)度為65毫米。特斯拉model3使用更大的圓柱體，2170單元。因此，電芯的大小不是“微”的。微尺度和中尺度標(biāo)題，是針對(duì)涂層和隔膜的單個(gè)組件和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的厚度非常小。

 

 

2.1 集電極

 

商用鋰離子電池的集電器是金屬箔-用于陰極的鋁和用于陽(yáng)極的銅。該箔片的厚度為約10 - 25μm。銅箔通常比鋁箔稍薄。這兩種材料都表現(xiàn)出典型的金屬材料的彈塑性力學(xué)性能。表2中給出鋁和銅的彈性模量E和泊松比ν，塑性特性由各向異性和硬化曲線的系數(shù)定義。

 

 

圖2.（a）鋰離子電池的可重復(fù)單元（RVE）和組分的橫截面；（b）NMC陰極；（c）石墨陽(yáng)極和；（d）聚丙烯隔膜（微孔聚丙烯）。

 

 

表2，彈塑性參數(shù)集電體箔和18650電芯鋼外殼體

 

 

 

2.1.1 塑性各向異性

 

在制造過(guò)程中，薄金屬箔會(huì)經(jīng)歷多次滾壓操作，從而在材料中引入一定量的塑性各向異性。有兩個(gè)概念來(lái)量化該屬性，第一個(gè)是屈服應(yīng)力在不同方向上的比率，這表明材料強(qiáng)度的各向異性。根據(jù)集電體現(xiàn)有拉伸測(cè)試結(jié)果 ，在機(jī)器方向（MD，0°），垂直方向（TD，90°），和對(duì)角方向（DD，45°），屈服應(yīng)力的差異幾乎可以忽略不計(jì)（見(jiàn)圖 3a）。

 

描述薄板塑性流各向異性的第二個(gè)概念是通過(guò)Lankford r值來(lái)定義的，該r值被定義為：

 

 

 

其中，ε p和ε p是當(dāng)樣品分別以x 1方向加載時(shí)，橫向塑性張力和貫通厚度塑性應(yīng)力。

 

材料在塑性變形過(guò)程中是不可壓縮的。為了在拉伸測(cè)試中使材料變形，樣品的寬度或厚度必須改變。物理上，Lankford參數(shù)告訴我們這兩個(gè)變形之間的比率是多少。對(duì)于各向同性材料，寬度和厚度的應(yīng)變分布是相同的，并且rL = 1。蘭克福德r值的確定需要一個(gè)完整的全范圍的應(yīng)力測(cè)量，這通常使用數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）方法完成。圖 3c顯示了狗骨樣本上的斑點(diǎn)圖，和張量計(jì)上的虛擬十字形。圖3b繪出了ε22-ε33 中相同的鋁箔在三個(gè)方向的曲線，是商業(yè)化電池集電器，與圖3 A中一樣，用作商業(yè)LIB的集電體。這種材料的r值結(jié)果是0.2（MD），1.5（DD）和1.1（TD），這表明存在非常明顯的各向異性（見(jiàn)表2）。

 

綜上所述，集電器金屬箔的現(xiàn)有測(cè)試數(shù)據(jù)表明，它們?cè)诓牧蠌?qiáng)度上幾乎是各向同性的，但對(duì)于彈塑性流而言具有高度各向異性。僅根據(jù)應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線對(duì)各向異性進(jìn)行描述，忽略r值可大大影響塑性應(yīng)變分布，這種描述是不夠的。還應(yīng)該指出的是，精確測(cè)量應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線和蘭克福德r值需要測(cè)試裝置的精巧設(shè)計(jì)。最大的挑戰(zhàn)是如何對(duì)準(zhǔn)試樣而不引起邊緣斷裂，起皺和屈曲，這對(duì)于薄膜（大長(zhǎng)度/厚度比）是非常常見(jiàn)的。克服這種困難的方法之一是微觀測(cè)試，為此，試樣的長(zhǎng)度和寬度被設(shè)計(jì)為與厚度相同的數(shù)量級(jí)。圖 3d顯示了用于電池研究的微測(cè)試的加載裝置。

 

為了對(duì)塑性各向異性進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，Hill48模型是金屬成形領(lǐng)域中最簡(jiǎn)單也是最流行的模型。其屈服函數(shù)由下式給出：

 

 

 

其中σ ij是應(yīng)力分量，F(xiàn)到N六個(gè)校準(zhǔn)系數(shù)，和σ y（ε p）描述材料的應(yīng)變硬化。還有其他各向異性屈服函數(shù)可用于集電器的建模，如YLD系列。

 

 

2.1.2 應(yīng)變硬化

 

根據(jù)鋁箔和銅箔的測(cè)試結(jié)果，它們都具有相對(duì)低的硬化率dσy/dεp。換句話說(shuō)，硬化曲線σ y（ε p）傾向于隨著塑性應(yīng)變的增加而走平（參照?qǐng)D3的A）。Voce強(qiáng)化法可以很好地捕捉到這個(gè)特殊的特征，

 

 

其中σ 0，Q和β是三個(gè)進(jìn)行校準(zhǔn)參數(shù)。其他硬化法則，例如由冪函數(shù)定義的Swift定律

 

 

，更適合于描述更高硬化率。參數(shù)的典型值 σ0 ， Q ，和 β 在表2中給出。為了提高表征的準(zhǔn)確性，兩個(gè)硬化規(guī)律可以用一個(gè)加權(quán)系數(shù)結(jié)合在一起使用。

 

 

2.1.3 韌性斷裂

 

鋁箔和銅箔的斷裂是由大的塑性變形引起的，在此期間，塑性應(yīng)變迅速增加，但流動(dòng)應(yīng)力保持相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)前集電器的斷裂行為屬于韌性材料范疇，因此可以用合適的應(yīng)變失效準(zhǔn)則來(lái)描述。最簡(jiǎn)單的基于應(yīng)變的韌性斷裂準(zhǔn)則是恒定的等效塑性應(yīng)變，其中斷裂假定發(fā)生在等效塑性應(yīng)變達(dá)到臨界值的材料中。這是一個(gè)深遠(yuǎn)的簡(jiǎn)化，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)表明裂紋應(yīng)變?nèi)Q于應(yīng)力狀態(tài)。一些金屬材料在壓縮下可以承受非常大的變形，而在張力下很容易失效。表2 列出了拉伸，雙軸拉伸和平面應(yīng)變張力下商業(yè)LIB的鋁箔和銅箔的斷裂應(yīng)變。從數(shù)值中可以觀察到很大的不同，這已被證明是服從莫爾-庫(kù)侖（MC）斷裂模型。

 

 

其中σ 1 和σ 3是最大和最小主應(yīng)力，特別地，c 1 和c 2 是控制斷裂軌跡的兩個(gè)未知系數(shù)。MC準(zhǔn)則可以從主應(yīng)力空間轉(zhuǎn)換到（σ，η，θ）空間。等效應(yīng)力可以用應(yīng)力不變量表示，

 

 

其中η和θ是三軸度和負(fù)載角參數(shù)，分別的定義：

 

 

 

 

圖3.測(cè)試結(jié)果和金屬部件的設(shè)置（a）用作陰極集電器的鋁箔在三個(gè)方向（MD，TD和DD）上的工程應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線，（b）鋁箔拉伸試驗(yàn)的橫向塑性應(yīng)變 - 軸向塑性應(yīng)變， （c）有斑點(diǎn)的狗骨樣品上的橫向應(yīng)變和軸向應(yīng)變的說(shuō)明，（d）微測(cè)試的加載裝置，（e）18650圓柱形電池的殼體的機(jī)械性能研究中的樣本設(shè)計(jì)，（f） 電池組件的平面應(yīng)變樣本。