對于電芯而言，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。

（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研究人員針對碰撞過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200英里，并且擁有一個普通人也能負(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)格幾個方面的成本同時(shí)下降帶來的進(jìn)步。

預(yù)計(jì)特斯拉Model 3的年產(chǎn)量將達(dá)到50萬輛，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年越過百萬臺，現(xiàn)在又到達(dá)了一個質(zhì)變的新起點(diǎn)上。國際能源署預(yù)測，到2025年，全球道路上將會有多達(dá)1億輛汽車。數(shù)量如此之大，統(tǒng)計(jì)規(guī)律必然會發(fā)揮作用，電動汽車將會遇到與傳統(tǒng)燃油車一樣的事故率。必須回答的問題是，電動汽車將遇到哪些燃油車沒有的新問題？

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

人們普遍認(rèn)識到，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，幾乎可以說是廣為人知。特斯拉Model S型車在撞上障礙物后起火，說明駕駛電動汽車確實(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)比如美國的NHTSA、德國的BAM以及保險(xiǎn)業(yè)，應(yīng)該準(zhǔn)備好應(yīng)對這一突出問題。

本文意在回顧碰撞事件中，電池承受機(jī)械負(fù)荷這個問題的研究進(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，安全問題，主要是通過媒體曝光，進(jìn)入大眾視野，帶來社會影響，但主要還是停留在談資的階段。在短期即將到來的未來，安全問題則已經(jīng)實(shí)實(shí)在在的影響到社會經(jīng)濟(jì)和個人生活的層面，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)防熱過熱和電池電過充電等的安全問題相關(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試中。由于碰撞期間的減速帶來的沖擊力，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，電池的安全問題，并在此基礎(chǔ)上，說明進(jìn)一步研究的方向。文章以簡單易懂的表格形式介紹了過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)（見圖2a），一個可重復(fù)的單元由一個陰極，一個陽極和一個兩層隔膜組成。

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“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型中使用的最常見的圓柱形電池18650的直徑為18毫米，長度為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，是針對涂層和隔膜的單個組件和復(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

在制造過程中，薄金屬箔會經(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。有兩個概念來量化該屬性，第一個是屈服應(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)有拉伸測試結(jié)果 ，在機(jī)器方向（MD，0°），垂直方向（TD，90°），和對角方向（DD，45°），屈服應(yīng)力的差異幾乎可以忽略不計(jì)（見圖 3a）。

描述薄板塑性流各向異性的第二個概念是通過Lankford r值來定義的，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。

材料在塑性變形過程中是不可壓縮的。為了在拉伸測試中使材料變形，樣品的寬度或厚度必須改變。物理上，Lankford參數(shù)告訴我們這兩個變形之間的比率是多少。對于各向同性材料，寬度和厚度的應(yīng)變分布是相同的，并且rL = 1。蘭克福德r值的確定需要一個完整的全范圍的應(yīng)力測量，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（見表2）。

綜上所述，集電器金屬箔的現(xiàn)有測試數(shù)據(jù)表明，它們在材料強(qiáng)度上幾乎是各向同性的，但對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，精確測量應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線和蘭克福德r值需要測試裝置的精巧設(shè)計(jì)。最大的挑戰(zhàn)是如何對準(zhǔn)試樣而不引起邊緣斷裂，起皺和屈曲，這對于薄膜（大長度/厚度比）是非常常見的。克服這種困難的方法之一是微觀測試，為此，試樣的長度和寬度被設(shè)計(jì)為與厚度相同的數(shù)量級。圖 3d顯示了用于電池研究的微測試的加載裝置。

為了對塑性各向異性進(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)鋁箔和銅箔的測試結(jié)果，它們都具有相對低的硬化率dσy/dεp。換句話說，硬化曲線σ y（ε p）傾向于隨著塑性應(yīng)變的增加而走平（參照圖3的A）。Voce強(qiáng)化法可以很好地捕捉到這個特殊的特征，

其中σ 0，Q和β是三個進(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，兩個硬化規(guī)律可以用一個加權(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，但流動應(yīng)力保持相對穩(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)則來描述。最簡單的基于應(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。這是一個深遠(yuǎn)的簡化，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)變的說明，（d）微測試的加載裝置，（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。

與硬化曲線σ（ε p）例如冪律方程，可以得到失效塑性應(yīng)力。

其中a和n是來自冪函數(shù)數(shù)據(jù)擬合的結(jié)果。使用表2中列出的值，可以方便地校準(zhǔn)該MC模型。簡化的方式，可以通過平面應(yīng)變和軸對稱沖擊試驗(yàn)中的DIC應(yīng)變測量來確定兩個斷裂常數(shù)]。這種校準(zhǔn)技術(shù)已經(jīng)被本研究小組開發(fā)，并在前面幾篇出版物中進(jìn)行了論證。

2.1.4 應(yīng)變率依賴

很多研究顯示，鋁和銅的應(yīng)變速率敏感度一直在下降。Bonatti和Mohr 、Luo和江等人對薄型集流體箔進(jìn)行了高應(yīng)變率測試。隨著應(yīng)變速率（或測試中的加載速度）增加，兩個箔片的強(qiáng)度顯著增大。這種依賴應(yīng)變率的趨勢可以用Cowper-Symonds函數(shù)或者注明的Johnson-Cook模型來描述。

其中σ 0是準(zhǔn)靜態(tài)屈服應(yīng)力，是基準(zhǔn)應(yīng)變率，C是應(yīng)變速率依賴性系數(shù)，可以從動態(tài)測試中獲得。

雖然這種趨勢是應(yīng)變速率的非單調(diào)函數(shù)，但兩個集流體箔的拉伸破壞也與應(yīng)變速率有關(guān)。想要得出拉伸破壞與應(yīng)變速率關(guān)系依賴性的結(jié)論，公開資料中的動態(tài)測試數(shù)據(jù)仍然顯得非常少。

（二）

本部分主要概述電芯外殼，涂層，隔膜，涂層與集電極之間的粘結(jié)等部分的機(jī)械應(yīng)力特性，一個小結(jié)論是，當(dāng)前的理論中，依然沒有一個公認(rèn)的正確原則，電池設(shè)計(jì)是應(yīng)該追求高強(qiáng)度還是低強(qiáng)度，才能使得系統(tǒng)綜合性能更加安全。

2.2 外殼和鋁塑膜

除了集電器之外，外殼（或袋式電池袋）是電池單元中的另一種金屬部件。兩種常見的材料選擇是低碳鋼和鋁。他們的基本力學(xué)性能可以在工程手冊中找到，但圓柱殼的深拉工藝會產(chǎn)生不均勻的厚度。Zhang和Wierzbicki對18650電池組殼體進(jìn)行了全面的實(shí)驗(yàn)/數(shù)值研究。一系列測試是專門為單元的圓柱幾何形狀設(shè)計(jì)的，包括單軸拉伸，剪切，面內(nèi)張力，中心孔張力，軸對稱沖頭，液壓凸起和軸向壓縮（見圖3d）。根據(jù)測試結(jié)果校準(zhǔn)Hill48塑性模型和MC斷裂準(zhǔn)則。表2 列出了18650套管材料機(jī)械參數(shù)。

2.3 涂層材料

從電化學(xué)的角度來看，LIBs最重要的組成部分是活性涂層材料。不同制造商涂層的化學(xué)性質(zhì)不同，并且不斷變化以提高電池比能量和比功率。在目前的電池市場中，最常見的陽極材料是石墨，而陰極則有LiCoO2 （LCO），LiMn2O4（LMO），LiNiMnCoO2 （NMC），LiFePO4 （LFP）等。電極顆粒狀涂層的粉末通過粘合劑結(jié)合到一起，同時(shí)將涂層附著到集電器上。因此，實(shí)際電極的涂層材料非常復(fù)雜，其整體機(jī)械性能是涂層所有子部件的綜合結(jié)果。

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）石墨陽極和；（d）聚丙烯隔膜（微孔聚丙烯）。

針對充電 - 放電過程中的耦合電化學(xué)-機(jī)械問題，在納米級顆粒水平上進(jìn)行了大量研究，以研究問題。Zhao和他的同事[ 31-9 ]在電極的如下領(lǐng)域進(jìn)行了一系列的研究：彈性，塑性，斷裂，脫粘，在單個顆粒的特性基礎(chǔ)上提出了幾個數(shù)學(xué)模型。Leo和同事[ 40,41 ]研究了塑性變形非晶硅陽極的機(jī)理及其對電化學(xué)性能的影響。然而，在微觀尺度和中尺度范圍內(nèi)，缺乏關(guān)于純涂層材料的測試和建模工作，而變形的機(jī)理和本構(gòu)規(guī)律尚不清楚。在這兩個尺度上，從結(jié)構(gòu)的角度來看，涂層可以看作是一種顆粒狀的材料，如沙子和混凝土。人們可以很容易通過查看電極的橫截面如圖2b和c，以及了解電極的制造過程[ 42,43 ]理解這種類比。這可以通過聚焦離子束（FIB）SEM圖像[ 44 ]和納米壓痕測試結(jié)果[ 45 ]，納米劃痕[46 ]進(jìn)一步確認(rèn)。

顆粒材料力學(xué)建模的歷史可以追溯到19世紀(jì)中早期，當(dāng)時(shí)開發(fā)了兩種經(jīng)典模型，即Mohr-Coulomb [ 49 ]和Drucker-Prager [ 50 ]。它們具有相似的屈服方程，但Drucker-Prager方程在應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算方面更方便，因?yàn)榍媸沁B續(xù)性的[ 50-52 ]。德魯克 - 普拉格物質(zhì)模型的屈服函數(shù)是

其中μ是摩擦系數(shù)，c是材料的內(nèi)聚力。前者控制屈服面的形狀（μ =tanφ，其中φ是摩擦角度），而后者確定幅度（強(qiáng)度），如圖4所示。涂層材料最顯著的特點(diǎn)是壓力依賴性，材料的強(qiáng)度取決于所處的應(yīng)力狀態(tài)。圖4顯示了在空間中Mises等效應(yīng)力q對壓力p的單個典型加載條件，即單軸拉伸，剪切，半球形沖壓，單軸壓縮和平面應(yīng)變壓縮。顯然，在相同屈服面（也是相同的塑性應(yīng)變）下測量的這些五種情況，Mises等效應(yīng)力之間的差異可能會超過幾個數(shù)量級。這種模型的預(yù)測與涂層的拉伸和壓縮測試結(jié)果非常吻合[ 13,53 ]。

2.4 隔膜

隔膜是LIB中最重要的非活動組件。它要么堆疊在電極之間要么與電極纏繞在一起形成電芯卷繞。在目前的市場中，隔膜有多種類型，根據(jù)物理?xiàng)l件可分為模制，織造膜、非織造膜（無紡布）、微孔膜、復(fù)合膜、隔膜紙、碾壓膜; 制造工藝包括干加工和濕加工; 在化學(xué)組成方面[ 54-56]有PP，PE，PVC，PVDF，PTFE等。在所有這些類型中，最常用的是干法加工的PP和PE，三層PP / PE / PP，陶瓷涂層PE和無紡布。由于物理和化學(xué)特性的不同，這些隔膜的機(jī)械性能明顯不同。Zhang和同事研究的四款隔膜[ 30,57,58 ]的基本機(jī)械特性作為典型例子在表3中中列出。

表3，四種常用隔膜的機(jī)械性能[ 29,55,56 ]

2.4.1 隔膜的原理

制造干處理微孔聚合物隔膜，原始材料經(jīng)過預(yù)拉伸獲得所需的厚度，孔隙率和孔徑 [59-61 ]。這個過程導(dǎo)致聚合物出現(xiàn)裂紋，使材料的部分晶體變成非晶態(tài)。最終，干加工聚合物隔膜處于半結(jié)晶狀態(tài)-晶體部分位于機(jī)器方向（MD），非晶體部分位于橫向（TD）。結(jié)晶度可通過X射線衍射（XRD）評價(jià)[30,60 ]。圖5a和b顯示了干法加工的PP隔膜的顯微結(jié)構(gòu)，表明該材料有明確的各向異性。因此，當(dāng)材料在MD拉伸時(shí)，主要變形模式是薄片的開裂，但當(dāng)TD拉伸時(shí)，主要變形成為薄片的變薄。受特征微觀結(jié)構(gòu)控制，三個方向（MD,TD和DD）的極限拉伸應(yīng)力和伸長率差異很大，如表3所列。

圖4（a）Drucker-Prager模型和可壓碎泡沫模型的不同加載條件和屈服面的應(yīng)力狀態(tài)，（b）軟包電池機(jī)械負(fù)荷試驗(yàn)的各種加載條件：（i）夾點(diǎn)，（ii）半球（iii）橫向壓縮，（iv）面內(nèi)壓縮，（v）圓柱形沖頭，（vi）三點(diǎn)彎曲。

圖5d繪制了三個方向的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線。據(jù)報(bào)道，濕處理隔膜的市場份額多年來一直在增長，并預(yù)計(jì)在未來幾年會超過干處理[ 62 ]。根據(jù)測試結(jié)果，這種濕法處理的隔膜比干法處理的隔膜具有更低的各向異性。這也通過其微結(jié)構(gòu)（見圖5）決定的。Zhang等人研究的兩種濕法隔膜的極限拉伸應(yīng)力和伸長率[ 57 ]（陶瓷涂覆的PE和非織造）在表3中列出，它們在不同方向上幾乎擁有相同的數(shù)值。