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(yīng)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(jìn)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(dǎo)致電池的正負(fù)極接觸而引發(fā)內(nèi)短路。所以深入研究電池隔膜的機(jī)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(jìn)行了試驗(yàn)，并以聚乙烯隔膜為例，建立了有限元模型。

 

 

 

隔膜作為鋰離子電池中重要的組分材料，其失效會直接導(dǎo)致電池的正負(fù)極接觸而引發(fā)內(nèi)短路。所以深入研究電池隔膜的機(jī)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。

 

 

40層直徑16 mm的圓形試件堆疊在一起，在200 kN MTS試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。預(yù)載0.5 MPa消除試件的層間間隙，然后加載至100 MPa，再卸載至零應(yīng)力。每種隔膜重復(fù)試驗(yàn)五次。

 

 

 

壓縮試驗(yàn)中四種隔膜的名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線和試驗(yàn)后的變形

 

干法隔膜具有很高的面內(nèi)各項(xiàng)異性，并且應(yīng)力應(yīng)變曲線上有明顯的屈服點(diǎn)。壓縮后陶瓷涂層隔膜和無紡布隔膜試件均保持圓形，而干法隔膜試件變形為以MD為主軸方向的橢圓。

 

穿孔試驗(yàn)

 

穿孔試驗(yàn)使用的夾具內(nèi)徑32 mm，半球狀加載頭用聚四氟乙烯制成以減小摩擦，直徑分別為3.175 mm、6.35 mm、12.6 mm和25.4 mm。試驗(yàn)在Instron Tabletop試驗(yàn)機(jī)上完成，加載速度為12 mm/min，直徑為25.4 mm的加載頭配合2 kN的載荷傳感器進(jìn)行試驗(yàn)，其余直徑的加載頭配合使用100 N的傳感器。

 

 

 

穿孔試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置（聚四氟乙烯加載頭，直徑為6.35mm）

 

 

 

穿孔試驗(yàn)中四種隔膜在不同直徑加載頭下的載荷-位移曲線

 

 

 

加載頭直徑為6.35mm時(shí)隔膜失效情況

 

無紡布隔膜穿孔強(qiáng)度最低而陶瓷涂層穿孔強(qiáng)度最高。干法隔膜在大加載頭下沿MD方向裂開，而陶瓷涂層隔膜和無紡布隔膜失效面積較小。

拉伸試驗(yàn)中四種隔膜的名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線

 

兩種干法隔膜各向異性明顯，MD方向的強(qiáng)度顯著高于另外兩個(gè)方向，并且-DD和+DD方向強(qiáng)度相同。濕法陶瓷涂層隔膜四個(gè)方向上強(qiáng)度相當(dāng)，但初始的彈性模量不同。無紡布隔膜強(qiáng)度很低，僅為高聚物隔膜的約五分之一，TD和MD下強(qiáng)度相近，但DD方向較弱。陶瓷涂層隔膜和無紡布隔膜在+DD和-DD方向下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系也不相同。

 

 

干法隔膜三個(gè)方向下失效模式不同，陶瓷涂層隔膜三向下模式相似，無紡布隔膜失效應(yīng)變很小

 

參考標(biāo)準(zhǔn)ASTM D882設(shè)計(jì)條狀拉伸試件，總長60 mm，標(biāo)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(biāo)紙間，用剃刀沿機(jī)器方向（MD）、橫斷方向（TD）和兩個(gè)對角方向（+DD和-DD）共四個(gè)方向切成試件。試驗(yàn)在Instron 5944單向拉伸試驗(yàn)機(jī)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(yīng)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(yù)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(jìn)行極端沖擊載荷下的機(jī)械濫用試驗(yàn)。試驗(yàn)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(gè)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(gè)試驗(yàn)與分析過程。

 

試驗(yàn)選用的電池模組內(nèi)含8個(gè)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(yàn)前均充電至100% SOC。試驗(yàn)在落錘試驗(yàn)機(jī)上完成，通過自制的載荷傳感器采集沖擊載荷，應(yīng)用非接觸測量技術(shù)獲取電池的變形數(shù)據(jù)。試驗(yàn)用落錘試驗(yàn)機(jī)經(jīng)過專門針對電池碰撞試驗(yàn)的改造，除加裝了防護(hù)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(yàn)裝置：(a) 落錘試驗(yàn)機(jī)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(yàn)；(d) 不同沖擊頭下的Y向沖擊試驗(yàn)；(e) 不同沖擊頭下的Z向沖擊試驗(yàn)

 

展示了工況1至3的試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，試驗(yàn)在三個(gè)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(dǎo)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(gè)較低的范圍內(nèi)波動，這個(gè)階段里框架結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生屈曲和破碎，同時(shí)電池單體也在以屈曲和折疊的模式變形。當(dāng)侵入量大于160 mm后，載荷曲線顯著上升，這時(shí)電池單體已經(jīng)在沖擊頭作用下被壓實(shí)。三種工況下均未觀察到熱失控的發(fā)生。