前段日子，三星Galaxy Note 7手機因電池起火事故成為人們關(guān)注的焦點，據(jù)MIT教授Don Sadoway分析，這些電池起火很可能緣自壓制過緊的卷芯：一方面這種情況下隔膜更容易被正負極（如充電過程中負極表面析出的晶體等）刺破；另一方面隔膜上的孔隙被壓實導致電池內(nèi)阻增大溫升加劇[1]。由此可見電池隔膜對鋰離子電池的安全性起著重要的作用。除了手機等電子設(shè)備的應用，鋰離子電池目前也廣泛用作電動車輛的儲能設(shè)備。

 

然而，人們目前對電動車用鋰離子電池在碰撞工況下的力熱響應尚未十分清楚，對電池及其組分材料的建模表征等研究也正在持續(xù)進行。隔膜作為鋰離子電池中重要的組分材料，其失效會直接導致電池的正負極接觸而引發(fā)內(nèi)短路。所以深入研究電池隔膜的機械屬性，有助于從碰撞安全性的角度來選擇電池所用的隔膜。本文對四種電池隔膜進行了試驗，并以聚乙烯隔膜為例，建立了有限元模型。

 

 

 

 

參考標準ASTM D882設(shè)計條狀拉伸試件，總長60 mm，標距段長35 mm，按寬度分為 5 mm、10 mm、15 mm、20 mm和25 mm五組。隔膜被夾在笛卡爾坐標紙間，用剃刀沿機器方向（MD）、橫斷方向（TD）和兩個對角方向（+DD和-DD）共四個方向切成試件。試驗在Instron 5944單向拉伸試驗機上完成，拉伸速度為25 mm/min，用于測力的載荷傳感器量程100 N，而應變由數(shù)字圖像相關(guān)法（DIC）得到。為了建立鋰離子電池的失效預測模型，提高電動車用儲能設(shè)備的安全性，有必要對電池模組進行極端沖擊載荷下的機械濫用試驗。試驗矩陣可由沖擊速度、沖擊質(zhì)量、模組受載方向和沖擊頭形狀等多個影響因素組合生成。電池模組在不同加載工況下的變形和損傷模式，以及發(fā)生短路和熱失控的可能性，均值得深入分析。這里我們以一種電池為例，介紹整個試驗與分析過程。

 

試驗選用的電池模組內(nèi)含8個軟包電池單體，額定電壓7.4 V，額定電量 80 Ah，長（X向）270 mm，寬（Y向）160 mm，厚（Z向）73 mm，質(zhì)量4.9 kg，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。各塊模組在試驗前均充電至100% SOC。試驗在落錘試驗機上完成，通過自制的載荷傳感器采集沖擊載荷，應用非接觸測量技術(shù)獲取電池的變形數(shù)據(jù)。試驗用落錘試驗機經(jīng)過專門針對電池碰撞試驗的改造，除加裝了防護罩和消防系統(tǒng)外，還增加了專業(yè)的煙氣過濾排放設(shè)備，兼顧了安全和環(huán)保的要求。

 

 

 電池模組沖擊試驗裝置：(a) 落錘試驗機及煙氣過濾和排放系統(tǒng)，(b) 電池模組固定方式；(c)X向沖擊試驗；(d) 不同沖擊頭下的Y向沖擊試驗；(e) 不同沖擊頭下的Z向沖擊試驗

 

展示了工況1至3的試驗結(jié)果，可以看出，試驗在三個工況下表現(xiàn)出了相近的規(guī)律。在初始階段，框架結(jié)構(gòu)的初始屈曲導致了載荷曲線上的第一峰。在接下來的階段里，載荷曲線在一個較低的范圍內(nèi)波動，這個階段里框架結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生屈曲和破碎，同時電池單體也在以屈曲和折疊的模式變形。當侵入量大于160 mm后，載荷曲線顯著上升，這時電池單體已經(jīng)在沖擊頭作用下被壓實。三種工況下均未觀察到熱失控的發(fā)生。