揭示锂离子电池在动态三点弯曲下的失效机制：实验与模拟
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卡特蓄电池 发布时间：2026-05-27 21:39:57 点击： 次
图文摘要
引言
由于具有能量密度高、循环寿命长、自放电率低且无记忆效应等优势，锂离子电池（LIBs）被广泛应用于交通、航空航天和电网储能等多种重大工程领域[[1], [2], [3]]。然而，极端工况会严重威胁电池的安全性能[4,5]。对于电动汽车、电动配对和无人机等移动装备而言，机械载荷（尤其是动态冲击）可能导致电池失效、起火甚至爆炸等灾难性事故[6,7]。该过程的复杂失效机理仍需进一步深入研究。
已有若干研究探讨了锂离子电池在冲击读档下的动态失效行为。Li等[8]分析了复合电极材料在准静态至动态范围内的拉伸/压缩特性与损伤机制，结合形貌观察揭示了电极的具体失效模式。针对聚乙烯隔膜[9]与聚丙烯隔膜[10]，研究者们考察了其各向异性及应变率相关的力学特性。通过高速摄像仪与扫描电子显微镜(SEM)，本研究建立了电池隔膜宏观失效模式与微观形貌特征之间的关联。Zhang等[11]与Wang等[12]研究团队已对电池外壳的弹性、塑性及断裂行为进行了定量表征。这些组件动态力学性能的研究为电池单体的有限元(FE)建模奠定了基础。基于上述研究成果，Xu等[13,14]首次构建了考虑动态效应的单体层级有限元模型。电池的卷芯结构经过均质化处理后，将荷电状态（SOC）与应变速率效应作为材料硬化参数引入模型。此外，Wang等[15]建立了圆柱形锂离子电池在动态平面压缩下的多物理场耦合模型，用于预测不同冲击能量下、不同SOC状态锂离子电池的内部短路（ISC）与热失控演变过程。这些模型使得预测高SOC状态与高碰撞速度等极端工况下的电池失效成为可能[13]。然而，采用多种测试与表征手段的实验研究仍不可或缺。Huang等[16]利用惯性效应揭示了球压痕条件下电池机械失效与电气失效的关联性，结合扫描电镜(SEM)阐明了锂离子电池(LIBs)的动态失效机制。Zhou等[17]通过圆柱冲头实验解耦了冲击能量与速度对电池失效的影响，并建立了大变形条件下圆柱形锂离子电池动态响应的计算方法[18,19]。但现有冲击读档研究几乎完全集中于挤压工况。实际上，三点弯曲作为另一种重要测试形式[20]，其相关动态研究迄今尚未见报道。
已有部分准静态研究探讨了锂离子电池（LIBs）在三点弯曲载荷下的失效行为。Wierzbicki等[21]与Greve等[22]率先对圆柱形LIBs开展三点弯曲试验，通过均质化有限元方法，依据应力集中现象定位了内部短路（ISCs）的发生位置。Voyiadjis等[23]进一步考虑机械载荷导致的刚度退化，建立了圆柱电池的损伤模型，从而精准评估了三点弯曲工况下电池的损伤机制。Budiman等[24]通过有限元模型确定了软包电池在三点弯曲条件下可能的内部短路(ISC)区域。Song等人[25,26]提出了"Sahraei失效准则"，用于预测圆柱和软包电池在多种准静态载荷下的失效行为。该失效模型通过校准输入曲线预测了卷芯内部断裂的起始。考虑到实际应用中电池内部存在力-电-热耦合特性，Jia等人[27]开发了一个高效的耦合建模框架，从而预测了电池的内部短路行为。Li等人[28]和Li等人[29]对三点弯曲损伤后的电池进行了电化学测试，定量表征了容量、电阻等特征量的衰减情况。此外，电池的机械失效形式具有多尺度特征。声发射技术已被用于实时监测电池在压缩、压痕及三点弯曲等工况下的损伤程度[6,30]。通过声学信号分析了电池在读档过程中内部失效模式的形成。考虑到环境温度的影响，Goodman等[31]和Mo等[32]分别研究了三弯载荷下温度对电池在读档期间及读档后力学性能与电学性能的影响。表1总结了现有准静态与动态条件下的相关研究成果。
研究发现，锂离子电池在准静态三点弯曲条件下表现出两种截然不同的电压响应：即完全内短路[21,22]与无内短路[27,28,30]。这一有趣现象的本质取决于电池内部多性向层状结构的复杂力学行为。动态读档导致的惯性效应[16]和应力波影响[33,34]会增强组件材料及整体结构力学响应的非线性特征。因此，本文提出揭示动态三点弯曲条件下电池失效机制的创新性研究工作。
在这项工作中，一个通过建立了用于监测动态三点弯曲下锂离子电池力-电-热-图像响应的平台。开发了具有代表性体积单元（RVE）的有限元模型，以研究内部结构的行为演化。基于动态行为分析和多尺度失效形貌，阐明了圆柱形锂离子电池的失效机制。此外，对新鲜电池和冲击后无明显电压Drop的电池进行了循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）测试。基于各组件的力学行为，提出了内部短路（ISC）的失效判据。最终揭示了冲击条件对电池安全性和性能的影响。
