【干貨】動(dòng)力鋰電池動(dòng)態(tài)失效淺析

在與傳統(tǒng)燃油汽車的競爭中，電動(dòng)汽車雖然擁有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，卻也長期面臨著“腿短”的尷尬。為了提升行駛里程，絕大多數(shù)電動(dòng)汽車廠商在動(dòng)力電池組中都采用了具有高能量密度的鋰離子電池。

而高能量勢(shì)必帶來碰撞事故中的高風(fēng)險(xiǎn)，國內(nèi)外數(shù)起電動(dòng)汽車碰撞事故都展示了動(dòng)力電池組短路起火后帶來的災(zāi)難性后果?，F(xiàn)有的鋰離子動(dòng)力電池中，作為離子運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的電解質(zhì)是一種高可燃性物質(zhì)，電池內(nèi)短路造成的熱效應(yīng)很容易引發(fā)電池的起火燃燒。

在碰撞事故中，需要對(duì)動(dòng)力電池在經(jīng)歷擠壓變形時(shí)可能發(fā)生的失效短路進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)。遺憾的是，目前學(xué)界和工業(yè)界對(duì)鋰離子動(dòng)力電池在機(jī)械載荷下，特別是沖擊載荷下的變形失效行為還缺乏深入的研究。基于我們現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以初步揭示不同條件下鋰離子動(dòng)力電池力學(xué)行為的差異。

我們選取了一款容量為20Ah的鋰離子軟包電池，利用直徑為13mm的沖頭對(duì)電池進(jìn)行穿刺實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，沖頭完全穿刺電池后進(jìn)行反向運(yùn)動(dòng)直到?jīng)_頭完全脫離電池，整個(gè)過程中同步記錄了電池電壓以及載荷的變化。

實(shí)驗(yàn)1中，采用金屬?zèng)_頭進(jìn)行加載，加載速度5mm/min， 軟包電池在穿刺過程中并未發(fā)生明顯的短路現(xiàn)象，直到?jīng)_頭開始反向運(yùn)動(dòng)時(shí)才發(fā)生了電壓的陡降。而在沖頭從電池中完全退出之后，電池電壓有一定程度的恢復(fù)。

實(shí)驗(yàn)2中，同樣的速度采用塑料沖頭進(jìn)行加載，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中電池都未出現(xiàn)短路現(xiàn)象。由實(shí)驗(yàn)結(jié)可以推知，在穿刺工況下，電池內(nèi)短路的發(fā)生主要是金屬侵入物和電極間的接觸導(dǎo)致。

實(shí)驗(yàn)3中，依然采用金屬?zèng)_頭，加載速度提高到4.5m/s。在沖頭穿透電池的瞬間，電池即出現(xiàn)了明顯的短路(電壓和載荷在同一時(shí)刻出現(xiàn)陡降)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在高速載荷下，軟包電池發(fā)生短路失效的風(fēng)險(xiǎn)大大增加。

實(shí)驗(yàn)1 金屬?zèng)_頭靜態(tài)穿刺實(shí)驗(yàn)(綠色虛線處為沖頭反向運(yùn)動(dòng)時(shí)刻)

實(shí)驗(yàn)2 塑料沖頭靜態(tài)穿刺實(shí)驗(yàn)(綠色虛線處為沖頭反向運(yùn)動(dòng)時(shí)刻)

實(shí)驗(yàn)3 金屬?zèng)_頭動(dòng)態(tài)穿刺實(shí)驗(yàn)(綠色虛線處為沖頭反向運(yùn)動(dòng)時(shí)刻)

是什么導(dǎo)致了電池短路行為的差異?我們可以根據(jù)電池隔膜的力學(xué)性能做出初步的解釋。鋰電池的基本結(jié)構(gòu)是交替布置的正負(fù)電極與隔膜，其中隔膜起到了隔絕正負(fù)電極接觸的作用。隔膜的力學(xué)性能直接決定了電池的安全性。我們對(duì)電池內(nèi)部的隔膜進(jìn)行了不同速度下的單向拉伸實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，相對(duì)于脆性的電極材料，隔膜材料具有很大的延伸率。

在穿刺過程中，斷口處被充分延展的隔膜材料可以繼續(xù)阻隔正負(fù)電極、電極與沖頭之間的接觸，防止短路的發(fā)生。而在動(dòng)態(tài)載荷下，隔膜展現(xiàn)了明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，即隨著加載速率的提高，隔膜的韌性逐漸降低。在高速穿刺工況下，隔膜無法充分延展來阻斷短路的發(fā)生，軟包電池更易發(fā)生短路現(xiàn)象。

上述實(shí)驗(yàn)突顯了隔膜力學(xué)性能對(duì)動(dòng)力電池安全性的影響。而要提高鋰離子動(dòng)力電池的碰撞安全性，還需要對(duì)電池內(nèi)部各組分材料的力學(xué)性能以及電池的整體響應(yīng)等進(jìn)行全面深入的研究。