鉅大LARGE | 點擊量：2279次 | 2021年05月25日
機械沖擊下的動力電池，在不同尺度上表現(xiàn)怎么樣
1介紹：多尺度下LIBs力學性能的研究
2017年推出的ChevyBolt和特斯拉Model3標志著汽車行業(yè)的新紀元。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擔的起的價位。根據(jù)瑞士聯(lián)合銀行的綜合報告，汽油機和電動汽車的成本齊平的時間，將比原先預(yù)期的提前2-3年。這一趨勢重要歸因于鋰離子電池在能量容量和電池組價格幾個方面的成本同時下降帶來的進步。
預(yù)計特斯拉Model3的年產(chǎn)量將達到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)航達到150-200英里范圍，將在2018年上市?？傊?，EV的總存量，已經(jīng)在2016年越過百萬臺，現(xiàn)在又到達了一個質(zhì)變的新起點上。國際能源署預(yù)測，到2025年，全球道路上將會有多達1億輛汽車。數(shù)量如此之大，統(tǒng)計規(guī)律必然會發(fā)揮用途，電動汽車將會遇到與傳統(tǒng)燃油車相同的事故率。必須回答的問題是，電動汽車將遇到什么燃油車沒有的新問題？
人們普遍認識到，假如電池組在事故中撕裂或損壞，則可能存在電池熱失控，火災(zāi)和爆炸。有幾起事故，幾乎可以說是廣為人知。特斯拉ModelS型車在撞上障礙物后起火，說明駕駛電動汽車確實存在額外的危險。隨著鋰離子電池和電池組容量的不斷新增，在車禍中能夠短時間釋放出更多能量，使得事故的危險性也在新增。汽車行業(yè)，電池制造商，監(jiān)管機構(gòu)比如美國的NHTSA、德國的BAM以及保險業(yè)，應(yīng)該準備好應(yīng)對這一突出問題。
本文意在回顧碰撞事件中，電池承受機械負荷這個問題的研究進展。雖然有關(guān)電池電化學和熱管理研究已經(jīng)比較多，但由于機械負荷導(dǎo)致的電池響應(yīng)和失效問題的研究卻遠遠落后于當前的要。在此之前，安全問題，重要是通過媒體曝光，進入大眾視野，帶來社會影響，但重要還是停留在談資的階段。在短時間即將到來的未來，安全問題則已經(jīng)實實在在的影響到社會經(jīng)濟和個人生活的層面，鋰離子電池的碰撞安全應(yīng)該得到適當?shù)年P(guān)注。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
預(yù)防熱過熱和電池電過充電等的安全問題相關(guān)文獻比較多，而本文回顧的重點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。但機械負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，電氣系統(tǒng)設(shè)計更加有責任考慮處理相關(guān)情況，而機械部分反而次之。
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重要發(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。重點回顧的文獻，重要具備兩個方面的特點，首先，文獻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重要影響因素有什么；其次，是涉及計算機仿真模型的，詳細闡述了什么測試參數(shù)要考慮到有限元仿真模型計算中去。
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械特性。在本節(jié)的其余部分中，將詳細介紹所有組件的機械特性。
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中的小電池到EV應(yīng)用的大型二次電池。例如在特斯拉modelS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)含義。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）。
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，這表明材料強度的各向異性。根據(jù)集電體現(xiàn)有拉伸測試結(jié)果，在機器方向（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（見圖3a）。
描述薄板塑性流各向異性的第二個概念是通過Lankfordr值來含義的，該r值被含義為：
其中，εp和εp是當樣品分別以x1方向加載時，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。關(guān)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圖，和張量計上的虛擬十字形。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3A中相同，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，它們在材料強度上幾乎是各向同性的，但關(guān)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值要測試裝置的精巧設(shè)計。最大的挑戰(zhàn)是如何對準試樣而不引起邊緣斷裂，起皺和屈曲，這關(guān)于薄膜（大長度/厚度比）是非常常見的?？朔@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行數(shù)學建模，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σij是應(yīng)力分量，F(xiàn)到N六個校準系數(shù)，和σy（εp）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σy（εp）傾向于隨著塑性應(yīng)變的新增而走平（參照圖3的A）。Voce強化法可以很好地捕捉到這個特殊的特
其中σ0，Q和β是三個進行校準參數(shù)。其他硬化法則，例如由冪函數(shù)含義的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)變迅速新增，但流動應(yīng)力保持相對穩(wěn)定。當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)變失效準則來描述。最簡單的基于應(yīng)變的韌性斷裂準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)變達到臨界值的材料中。這是一個深遠的簡化，因為實驗表明裂紋應(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σ1和σ3是最大和最小主應(yīng)力，特別地，c1和c2是控制斷裂軌跡的兩個未知系數(shù)。MC準則可以從主應(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是三軸度和負載角參數(shù)，分別的含義：
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）鋁箔拉伸試驗的橫向塑性應(yīng)變-軸向塑性應(yīng)變，（c）有斑點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械性能研究中的樣本設(shè)計，（f）電池組件的平面應(yīng)變樣本。
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中的DIC應(yīng)變測量來確定兩個斷裂常數(shù)]。這種校準技術(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）新增，兩個箔片的強度顯著增大。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。
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）
本部分重要概述電芯外殼，涂層，隔膜，涂層與集電極之間的粘結(jié)等部分的機械應(yīng)力特性，一個小結(jié)論是，當前的理論中，依然沒有一個公認的正確原則，電池設(shè)計是應(yīng)該追求高強度還是低強度，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。他們的基本力學性能可以在工程手冊中找到，但圓柱殼的深拉工藝會出現(xiàn)不均勻的厚度。Zhang和Wierzbicki對18650電池組殼體進行了全面的實驗/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Hill48塑性模型和MC斷裂準則。表2列出了18650套管材料機械參數(shù)。
2.3涂層材料
從電化學的角度來看，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，同時將涂層附著到集電器上。因此，實際電極的涂層材料非常復(fù)雜，其整體機械性能是涂層所有子部件的綜合結(jié)果。
針對充電-放電過程中的耦合電化學-機械問題，在納米級顆粒水平上進行了大量研究，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)學模型。Leo和同事[40,41]研究了塑性變形非晶硅陽極的機理及其對電化學性能的影響。然而，在微觀尺度和中尺度范圍內(nèi)，缺乏有關(guān)純涂層材料的測試和建模工作，而變形的機理和本構(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]進一步確認。
顆粒材料力學建模的歷史可以追溯到19世紀中早期，當時開發(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)用計算機輔助計算方面更方便，因為屈服面是持續(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（強度），如圖4所示。涂層材料最顯著的特點是壓力依賴性，材料的強度取決于所處的應(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)物理條件可分為模制，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。由于物理和化學特性的不同，這些隔膜的機械性能明顯不同。Zhang和同事研究的四款隔膜[30,57,58]的基本機械特性作為典型例子在表3中中列出。
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[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，當材料在MD拉伸時，重要變形模式是薄片的開裂，但當TD拉伸時，重要變形成為薄片的變薄。受特點微觀結(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。
繪制了三個方向的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。據(jù)報道，濕處理隔膜的市場份額多年來一直在上升，并預(yù)計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。
2.4.2彈粘塑性和溫度依賴性
在持續(xù)介質(zhì)力學中，這種聚合物隔膜的力學行為被歸類為彈塑性粘彈性領(lǐng)域，它結(jié)合了非線性彈塑性和應(yīng)變率依賴關(guān)系。前者的特點可以清楚地從圖5d中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中看出來。根據(jù)Halalay等人對八種不同類型隔膜的納米壓痕測試[63]，現(xiàn)有聚合物隔膜的彈性模量從50MPa到1GPa不等。該特性在很大程度上取決于聚合物的分子量以及基材是否涂有陶瓷。由于薄片裂紋的存在，隔膜的非彈性行為是非常非線性的，這很好地由Zhang[30]在不同張力下停止的一系列拉伸試驗證明。此外，這種半晶態(tài)聚合物的強度被證明是應(yīng)變率依賴性的（見圖5（e））。隨著應(yīng)變速率的新增，材料強度變大，而延伸率變小。據(jù)報道，這種應(yīng)變速率依賴特性可能導(dǎo)致LIBs的容量衰減[64]。此外，半結(jié)晶聚合物的機械性質(zhì)的溫度依賴性清晰可見，如圖5F所示。Zhang的結(jié)果表明，當溫度升高時，材料變得非常柔軟[30]。從熱失控的安全性角度來看，研究此屬性是非常重要的。
盡管有大量研究嘗試對隔膜進行建模，但機械表征工作仍未完全解決。實驗方面，動態(tài)力學分析（DMA）[30,60]和X射線衍射分析（XRD）方法[60,61,65]是兩個大多數(shù)研究應(yīng)變率/溫度依賴性和能量材料的微觀結(jié)構(gòu)的常用方法。然而，隔膜變形機制的研究仍然不足。在建模側(cè)，已經(jīng)有許多嘗試使用分子動力學模擬和微觀力學理論[66-71]，但由于計算計算能力的限制，這些模型很難應(yīng)用于大規(guī)模的工業(yè)問題。在持續(xù)介質(zhì)力學的框架下，隔膜的建模更具挑戰(zhàn)性，因為：
1）材料的特點長度（例如孔徑和纖維長度）處于納米尺度；
2）材料特點是正交各向異性，粘塑性和溫度依賴性的組合；
3）模型必須同時涵蓋微觀物理學和宏觀行為。
聚合物材料的現(xiàn)有模型已經(jīng)建立地很好[72-75]，但其是否適合隔膜仍有待驗證。此外，為了利用這些模型，必須開發(fā)新的用戶材料子程序（UMAT），因為它們通常在商業(yè)FE軟件中不可用，并且必須為模型的參數(shù)設(shè)計復(fù)雜的校準程序。
2.5涂層和集電器之間的粘合強度
在LIB的使用壽命期間，由充放電過程引起的成千上萬次的循環(huán)體積變化。石墨陽極，體積變化約為10％[76]，但關(guān)于大容量的陽極材料，如硅和錫，可以達到300％[77-80]。一個應(yīng)力場將由體積變化出現(xiàn)，導(dǎo)致電池容量的衰減[79]。其結(jié)果，一個普遍的現(xiàn)象是涂層和集電器脫離[80,81]，這可能會對電池造成致命傷害。測量涂層和金屬箔之間的粘合強度一直是電池制造過程中的必要步驟之一。剝離試驗是使用最頻繁的實驗技術(shù)[82-85]，其中，所述涂層和金屬箔由兩個夾具夾持，拉伸載荷被施加撕裂樣品。但是，這種剝離試驗只能獲得90和180的強度。關(guān)于多個方位，一個電極樣品要附著到剛性基底，施加組合張力/剪切載荷[48,86]?；蛘撸梢栽陔姌O上執(zhí)行納米劃痕測試，其利用納米級探針通過傾斜路徑刮擦電極的表面并測量相應(yīng)的摩擦力。劃痕測試的優(yōu)點是研究的深度是可調(diào)的，因此可以測量不同的橫截面。
涂層和集電器之間的粘合強度很大程度上取決于粘合劑的類型和體積分數(shù)以及混合和干燥過程中的環(huán)境參數(shù)[47]。根據(jù)現(xiàn)有出版物報告的數(shù)據(jù)，涂層和箔之間的粘結(jié)強度是在幾個兆帕范圍[47,85,86]。該值與涂層強度的數(shù)量級相同，特別是陽極石墨的數(shù)量級。因此，陽極的斷裂通常伴隨有分層現(xiàn)象。
2.6電極/隔膜組件
涂覆電極的失效順序，是當前研究的一類主題[19,25]。在銅箔，鋁箔，隔膜和銅/隔板/鋁組件上進行平面應(yīng)變拉伸試驗。圖3f顯示了樣品的規(guī)格。兩個剛性環(huán)氧壓板粘在試樣上以供應(yīng)較大的抓握面積，并形成蝴蝶狀計量區(qū)域。平面應(yīng)變條件下的斷裂應(yīng)變，鋁箔為0.025，銅箔為0.082，隔膜為0.151。在銅/隔板/鋁合金組件的平面應(yīng)變拉伸試驗中，看起來斷裂是在鋁箔中觸發(fā)的，鋁箔的斷裂應(yīng)變最低，銅和隔膜在其后，很快就失效了。隨著裂紋從初始點傳播到邊界，力水平不斷下降。因此，組件的斷裂應(yīng)變?yōu)?.025。
2.7部分結(jié)論
關(guān)于電池組件的測試，LIB的機械變形和負載方面是迄今為止最苛刻和最困難的。重要困難是厚度方向上電極的所有組件的尺寸太小。隔膜和涂層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)新增了問題的復(fù)雜性并且要使用納米實驗技術(shù)。在建模方面，有必要包括壓力，各向異性，應(yīng)變率和摩擦的影響?？紤]所有上述影響因素的基本本構(gòu)模型已經(jīng)出現(xiàn)在文獻中。面對的挑戰(zhàn)是獲得實用的校準方法來確定進入這些模型的自由參數(shù)。這可以通過直接測量或通過將測試結(jié)果與微型測試樣本的有限元仿真相結(jié)合的逆向方法來完成。逆方法是在電芯級開發(fā)計算模型時使用的重要工具，本文的第二部分將詳細介紹。
目前，人們對電池組件強度特性的理解很少被用來提高承受機械負載的電池的安全性。根據(jù)電化學參數(shù)選擇重要幾何參數(shù)和特定材料的厚度，但可以調(diào)整其他參數(shù)，例如粘合劑的數(shù)量和性質(zhì)，各層之間界面的強度和摩擦力，以提高電芯安全性。正如目前的研究小組所看到的，重要障礙是缺乏指導(dǎo)原則，是應(yīng)該使電池更加堅固，以減少外部影響的侵入，或者使它更弱，以便于延遲或消除內(nèi)部失效導(dǎo)致的內(nèi)短路和可能的熱失控。
有限元仿真是一個強大的工具，可用于提高電池的安全性。這些工具將加速優(yōu)化電池的設(shè)計，并且可以節(jié)省數(shù)月和數(shù)年的試錯。目前重要障礙是這一代計算機的能力還不夠理想。鋁箔是電極/隔膜組件中最薄的部件（10μm），這決定了有限元建模中的單元尺寸。它可能是從金屬箔上切下的微樣本模型中的50,000個元素，以及單個可重復(fù)的電極/隔膜組件的模型中的多達50萬個元素。這樣的解決方法將導(dǎo)致單元模塊中有1億個元素，這是典型的桌面工作站組無法處理的。在電芯級別上開發(fā)電極堆或卷繞電芯的均化材料模型的需求是顯而易見的。這是下一部分的主題。
（三）
本文是整體的第三篇，重要包括電芯級別的模型概述。重要關(guān)注電芯機械性能的SOC依賴性，沖擊速率依賴性和電解質(zhì)結(jié)構(gòu)性流動依賴性；
3第二部分，電芯水平
在宏觀尺度上，電池是一個復(fù)雜的組件，由集電器，活性涂層材料，隔膜和殼體組成，其機械性能已在第2節(jié)中描述。電池電芯的機械特性不僅僅是每個部件貢獻的綜合反映，反過來，它們之間的相互用途很大程度上受機械特性的影響。在實驗方面，電池應(yīng)該在不同的負荷條件下進行測試，這就是所謂的機械濫用測試。通過這些測試，獲得變形模型和校準程序的信息，包括變形機制和結(jié)構(gòu)響應(yīng)。在建模方面，有幾種不同的策略：1）詳細的模型，2）代表體積元素（RVE）方法，3）均化模型。詳細的模型包括有關(guān)真實電池組的大部分信息，但如前所述，這些信息是計算密集型的，工作量巨大。均勻化模型的計算效率最高，RVE方法介于這兩種策略之間。在本節(jié)中，將介紹有關(guān)機械濫用測試的現(xiàn)有實驗結(jié)果的總結(jié)，并回顧三種建模策略。
3.1實驗結(jié)果：各種負載條件下的電芯機械特性
目前，還沒有在全球范圍內(nèi)普遍接受的電池濫用測試標準或法規(guī)[87-91]。此外，幾乎沒有推薦的精確負荷和邊界條件[92]。
圖4b顯示了在公開文獻中報道的軟包電池的六種負載條件。
?。D壓試驗[93-97]用兩個剛性球體將同軸載荷加載到電池的頂面和底面。關(guān)于不同厚度的電池電芯，剛性球的半徑可以為幾毫米或幾英寸。
ⅱ）半球形沖頭沖擊試驗[13,14,26,53,98-102]類似于擠壓測試，但更容易在通用測試機上進行。不同之處在于電池電芯放置在剛性板上，而不是在兩個表面上受到兩個對稱的負載。
ⅲ）外部平面壓縮[24,100,101,103-106]用兩個平面同時擠壓電芯的頂面和底面，而側(cè)面不施加載荷。電芯的應(yīng)力狀態(tài)是單軸壓縮。
ⅳ）面內(nèi)壓縮試驗[99，105，107-115]將兩種位移邊界條件到電池電芯的兩側(cè)。根據(jù)設(shè)計，頂部和底部表面由兩個剛性壁完全約束[110]，經(jīng)受恒定均勻分布的壓力[109，110]。
v）長圓柱[25]體局部側(cè)面壓縮，由于電芯的寬度/厚度比大，所以該測試比中心區(qū)域的平面應(yīng)變壓縮更嚴酷。
ⅵ）3點彎曲試驗[24，99，100，106，112]的電芯放置到兩個剛性支點上，在中心處施加載荷，從而在電芯中形成彎曲力矩。
在所有這些負載條件中，外部平面壓縮（iii）和面內(nèi)壓縮試驗（iv）是材料測試，從中可以看出壓縮硬化曲線可以被估計。另外四個測試是結(jié)構(gòu)測試，其具有更復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)（參照圖4b）。當與混合實驗/數(shù)值方法相結(jié)合時，它們可以用來確定一些材料參數(shù)（彈性模量和硬化曲線）[116]。在逆向方法中，用實驗結(jié)果修正數(shù)值模擬，計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行比較匹配，通過最小化實驗結(jié)果與模擬結(jié)果之間的差距，找到材料參數(shù)，實現(xiàn)數(shù)值模擬模型的優(yōu)化。
本節(jié)僅介紹測試方法和實驗結(jié)果中出現(xiàn)的一些基本趨勢。接下來是計算建模，其中校準過程用幾個例子來解釋。
3.1.1完全放電的電池的靜態(tài)測試
過去五年已對完全放電的電池靜態(tài)測試進行了大量研究。所有涉及的測試可以分為圖4b所示的六個加載條件。這些研究中的大部分，研究了電芯變形（或崩潰）特性，這是一項相對容易的任務(wù)。在本文中，僅綜述那些有助于開發(fā)標準以預(yù)測受到外在負荷電池發(fā)生短路的實驗。發(fā)現(xiàn)，短路的發(fā)生與剛性壓頭測量到的阻力下降趨勢，大多數(shù)情況下一致[24，100]。這是因為當隔膜斷裂時阻力會下降，這會立即導(dǎo)致電池短路[58]。剛性壓頭導(dǎo)致短路發(fā)生的關(guān)鍵位移δf數(shù)據(jù)是從公開資料中收集的。為了消除電芯在集合尺寸上的差異，建議引入歸一化臨界位移δf（NCD），或平均破壞應(yīng)變
其中δf是壓頭導(dǎo)致失效發(fā)生的位移，和升lc是加載方向上的特點長度（擠壓試驗，半球形沖頭沖擊，外部平面壓縮，長圓柱體局部側(cè)面壓縮和三點彎曲的電芯厚度；面內(nèi)壓縮的電芯長度或?qū)挾龋?。?列出了NCD的值。應(yīng)該指出，這些值通常取決于剛性壓頭的幾何形狀。在該表中，僅列出了公開文獻中報告的每個負載條件的平均值。一個明顯的結(jié)論是，同一電池組在不同負載條件下，發(fā)生短路的位移不同。
目前，研究最多的電池和負載條件是在半球形沖頭壓痕下的18650圓柱形電池。關(guān)于其他電池，特別是用于電動汽車應(yīng)用的軟包電池，仍然有不充分的測試數(shù)據(jù)得出一般結(jié)論。從現(xiàn)有數(shù)據(jù)可以清楚地看出，在所有六種負載條件下，大多數(shù)電池的NCD為0.20-0.70時發(fā)生短路。事實上，這種NCD值可以作為商業(yè)LIBs的一般指標，也可以作為人為失效應(yīng)變執(zhí)行到有限元模型中。應(yīng)該注意的是，圓柱形電芯的平面內(nèi)壓縮的NCD值通常小于其他值，因為局部壓曲在這種情況下經(jīng)常發(fā)生[107]。同時，三點彎曲通常具有較高的短路耐受性，因為這些層可以彼此滑動，從而導(dǎo)致較小的彎曲應(yīng)變。
在最近的一些研究中，報道了有關(guān)軟包電池失效的一個非常有趣的現(xiàn)象-當軟包電池受到側(cè)向壓縮時，會發(fā)生應(yīng)變局部化，并且電池沿著斷層線斷裂，斷層線與電池平面成一定角度傾斜（參見圖6a-d）。參考文獻[93]中報告的電池電芯的角度為45，參考文獻[25]中報告的角度為62。這種現(xiàn)象的潛在機制還沒有完全理解，它可能來自粒狀活性材料的特性，或可能是由于多層結(jié)構(gòu)造成。
3.1.2動態(tài)測試和速率依賴
在實際的車輛碰撞事故中，材料的變形是一個動態(tài)過程，其全球應(yīng)變率可高達500s-1[117]。因此研究電池電芯的機械性能的應(yīng)變速率依賴性是必要的。根據(jù)現(xiàn)有的出版物數(shù)據(jù)[118-120]，與準靜態(tài)情況相比，在高載荷加載速度下，電池電芯的強度新增（高應(yīng)變率）。一方面，電池電芯的大多數(shù)組件材料具有正應(yīng)變速率依賴性，包括鋼，銅，隔膜和涂層，這在第2節(jié)已經(jīng)討論過。另一方面，有電解質(zhì)的影響。動態(tài)加載時，電池內(nèi)部電解質(zhì)流動引起的粘性剪切應(yīng)力要大得多，從而導(dǎo)致更大的能量消耗。
在各種靜態(tài)機械濫用負載下，造成完全放電的電池短路的歸一化臨界位移。
a軟包電池和方形電池的長×寬×厚，圓柱電池和橢圓電池的直徑×長度；
b數(shù)據(jù)不可用。
Kisters等人報道了兩個軟包電池和一個橢圓電池的動態(tài)測試結(jié)果。[120]顯示了對斷裂特性的非常有趣的速率依賴性，隨著加載速度的新增，電池電芯的機械故障發(fā)生在越來越低的應(yīng)力值和越來越小的位移下。這種現(xiàn)象關(guān)于電動汽車安全性非常重要，因為它表明在高速沖擊載荷下變形公差變得更小。這種違反直覺現(xiàn)象的機制仍然不為人知，要進行更多的基礎(chǔ)研究來澄清和建模。
3.1.3電解質(zhì)和結(jié)構(gòu)性流動相互用途的影響
在電池中，所有組件都浸入電解液中。這種特殊的環(huán)境對多微孔隔膜的機械特性具有決定性的影響[71,121-123]。干式和濕式隔膜之間的差異來自兩種機制。第一個是電解質(zhì)分子滲入隔膜的無定形納米纖維。分子動力學模擬[71]表明，碳酸二甲酯（DMC）可以提高無定形PP的彈性模量，但對結(jié)晶相沒有影響。另一種機制是結(jié)構(gòu)-流體相互用途。當隔膜受到壓縮載荷時，體積變形驅(qū)使電解質(zhì)流過隔膜的微孔。此溢流給材料變形供應(yīng)了附加的阻力[122,123]。這種結(jié)構(gòu)-流體相互用途的方法可以用光滑的粒子流體動力學[51]或在有孔介質(zhì)力學[123]的框架下描述。據(jù)作者所知，沒有其他的研究報告描述過類似的環(huán)境依賴。
結(jié)構(gòu)-流體相互用途的影響不僅存在于組件層面，而且存在于電芯層面。在低速下，這種影響是不可見的，因為流體的剪切應(yīng)力與流體的速度成正比。然而，在高速動態(tài)負載下，濕電芯和干電芯之間的差異是顯著的[120]。這是速率依賴的可能機制之一[124]，在3.1.2節(jié)討論。
3.1.4荷電狀態(tài)依賴
為了防止機械濫用測試期間在高充電狀態(tài)（SOC）下嚴重熱失控的風險，電芯級別的大多數(shù)研究被限制為低SOC（接近于零），盡管事實上，當發(fā)生碰撞事故時，電動汽車輛中的服務(wù)LIB通常在更高的SOC下運行。因此，研究SOC對機械完整性和內(nèi)部短路發(fā)生的影響，這是非常重要的。
Xu等人[106,118]和Tsutsui等[119]報道了18650圓柱形電池在壓縮和彎曲下機械完整性的SOC依賴性。在更高的SOC下，18650電池的結(jié)構(gòu)剛度新增并且短路位移減小。此外，在最終的完全短路之前觀察到可逆的斷續(xù)的或不完全短路[119]。然而，關(guān)于軟包電池，據(jù)報道在半球形沖擊負載下幾乎沒有SOC依賴的機械響應(yīng)[125]。在現(xiàn)階段，由于現(xiàn)有的實驗研究數(shù)量有限，很難得出有關(guān)LIBs機械特性的SOC依賴性的一般結(jié)論。答案在很大程度上取決于活性材料的組成和性質(zhì)以及電池的形狀因素。電芯的SOC可能會影響其機械性能有兩種可能的機制。第一個是充電過程中活性材料顆粒機械性能的變化。根據(jù)現(xiàn)有的出版物，陽極石墨顆粒的彈性模量在鋰化過程中新增[76]，而陰極NMC顆粒的彈性模量由于去鋰化而下降[126]]。因此，SOC依賴性的整體趨勢不能簡單地通過僅研究一個電極來解釋。另一機制是由化學組合物的過程中的充電-放電過程體積變化[127-131]引起的。在電池級，這種體積變化可以將局部應(yīng)變場引入活性材料顆粒中，從而出現(xiàn)內(nèi)部應(yīng)力場，因為鋰離子電池通常在約束邊界條件下工作。這個內(nèi)部應(yīng)力場不僅可以影響力學特性，而且會導(dǎo)致LIB的容量衰減[132]。
3.2電芯級模型
3.2.1詳細模型
有關(guān)電池組件的材料屬性和本構(gòu)模型有大量的實驗數(shù)據(jù)，這使得開發(fā)有限元模型成為可能，該模型涵蓋了包括所有組件在內(nèi)的所有電芯特性。針對18650圓柱形電池[100，107]和軟包電芯[53]已經(jīng)有幾種詳細的模型建立了。這些模型對研究電池結(jié)構(gòu)的變形順序和內(nèi)部短路的原因非常有用[107]。但是，詳細模型的成功取決于計算資源和時間。通常，這種模型中有超過100,000個元素，甚至可以預(yù)測局部斷裂特性。出于這個原因，詳細的模型不能應(yīng)用于模塊，電池組和車輛碰撞的大規(guī)模模擬。另一個挑戰(zhàn)是要確定不同層之間的適當接觸條件。到目前為止，沒有文獻報道電池組件的真實機械環(huán)境研究，包括但不限于接觸壓力，摩擦力和粘附力。
3.2.2RVEs
代表性體積元素（RVE）被含義為可以進行測量的最小體積，它出現(xiàn)的測量值可以代表整個電芯[133]。圖2a中示出了電池電芯卷繞結(jié)構(gòu)的RVE。它由兩個活性材料層，兩個石墨層，兩個隔離層，一個銅箔和一個鋁箔組成?；谶@一基本結(jié)構(gòu)，Sahraei等人[13,19]，Lai等人[110,113,134]，和Zhang等[53,135]開發(fā)了軟包電池和18650圓柱型電池的RVE模型，并且該模型用于兩種功能。第一個功能是研究電芯的變形機理。RVE中的元素數(shù)量明顯少于詳細模型，從而降低了計算成本。然而，其應(yīng)用受到周期性邊界條件和小應(yīng)變梯度的限制。關(guān)于更復(fù)雜的加載如三點彎曲和圓柱沖頭，應(yīng)力場是多軸和不均勻的，因此含義RVE的精確邊界條件是非常困難的。由于邊界條件不當，RVE可能會在其機械性能上顯示尺寸效應(yīng)，這意味著代表性體積單元不再能代表整個結(jié)構(gòu)。Saharei等人[13]是最早研究通過改變兩個方向上的張力和壓縮比來研究不同邊界條件對RVE影響的研究。RVE模型的第二個功能是獲得所述電池電芯的基本的機械性能，如應(yīng)力-應(yīng)變曲線[110,134]。通過不同的研究[53]來表征拉伸和壓縮之間力學特性的差異是有用的，但與詳細的模型類似，還應(yīng)該非常小心接觸含義，包括粘合強度，摩擦力和接觸壓力。
3.2.3均質(zhì)模型
均勻化模型當然是三種計算建模策略中計算效率最高的模型，它將電極堆疊或卷繞作為均勻材料處理。因此，電池建模的任務(wù)簡化為選擇合適的本構(gòu)模型并校準未知系數(shù)。與其他材料或結(jié)構(gòu)相比，商用鋰離子電池具有四種特殊的機械性能：
1）壓力依賴。拉伸和壓縮的機械響應(yīng)非常不同[13,14,53,101,103,135]。
2）應(yīng)力強化特性。當電芯受到壓縮載荷時，它開始致密化和硬化速率新增非常迅速[103,108,111]。
3）各向異性。由于多層結(jié)構(gòu)的特點，機械特性的面內(nèi)方向與面外方向完全不同[13,24,53,94,97,112]。
4）當受到壓縮載荷時，剪切帶形成和斷裂（參照圖6）[24,25,93,102,107]。
現(xiàn)有的出版物已經(jīng)提出了幾種試圖表征這些性質(zhì)的本構(gòu)模型。三種最常用的模型是可破碎泡沫模型，蜂窩模型和Gurson模型，將在下一部分對其進行介紹。
3.2.3.1可破碎的泡沫模型。
Deshpande和Fleck[136]提出了兩種基于相同屈服函數(shù)但具有不同硬化算法的可破碎金屬泡沫的各向同性本構(gòu)模型。許多研究小組已經(jīng)應(yīng)用這些模型來描述電池電芯力學特性[18,51,103,110,111,137]。模型的屈服函數(shù)是橢圓的（見圖4a），表示為
其中A和B分別是屈服橢圓的p軸和q軸的尺寸，回想一下，p和q分別是應(yīng)力分量的壓力和Mises等效應(yīng)力。如圖4a所示，可壓碎泡沫模型能夠表征材料塑性特性的壓力依賴性，這與Mohr-Coulomb和Drucker-Prager類似。三種模型之間的差異是其收益函數(shù)的形狀。
可壓碎泡沫模型適用于電池電芯的原因在于，活性涂層材料的物理條件非常接近金屬泡沫的物理條件。兩種材料在施加壓縮載荷時均經(jīng)過致密化處理。正如第2節(jié)所討論的那樣，某些類型的隔膜具有很高的各向異性，泡沫材料本質(zhì)上是各向同性的。為了捕捉均質(zhì)材料關(guān)系中的各向異性特性，可以使用蜂窩模型。通用軟件Abaqus[51]或LS-DYNA[137]的材料模型庫中都供應(yīng)了可破碎泡沫和蜂窩模型。
3.2.3.2蜂窩模型
在商用FE軟件LS-DYNA中，可以選擇將材料描述為蜂窩，稱為MAT_026_蜂窩（或MAT_126_修改的蜂窩）。在這個材料關(guān)鍵字中，用戶可以輸入材料各個方向的不同壓縮硬化曲線，這些曲線可以具有非常大的硬化速率。這兩個重要特點使材料關(guān)鍵字用于描述電池電芯由于結(jié)構(gòu)的各向異性帶來的各向異性特性，是非常有用的[53,135]。換言之，假定MD方向和TD方向的壓縮性質(zhì)非常相似，僅在厚度方向上不同。Sahraei等人[14]對軟包電池和圓柱形電池的可壓碎泡沫模型（各向同性材料）和蜂窩模型（各向異性材料）進行了非常全面的比較。指出，這兩種模式都有其優(yōu)點和缺點。各向同性模型更簡單，要更少的校準測試，對大多數(shù)加載情況都能供應(yīng)合理的結(jié)果。同時，各向異性模型可以在某些各向同性模型無法達到滿意效果的情況下表現(xiàn)良好特性。值得注意的是，各向異性模型更復(fù)雜，并涉及新的材料參數(shù)，應(yīng)通過附加測試進行校準。
3.2.3.3Gurson模型
Gurson（或GTN）模型[138]和它的一些編輯版本[139-141]已被廣泛接受用于表征金屬的塑性和韌性斷裂。Tvergaard和Needleman[141]修改后的屈服函數(shù)
該Gurson模型應(yīng)用于表征電池電芯以及涂層材料的機械特性[108,134,142,143]，仿真結(jié)果令人滿意。此外，它是一個基于物理的金屬模型，描述了空洞的成核，生長和相互用途。因此，數(shù)值模擬可以預(yù)測裂紋萌生和擴展。但是，它對電池的適用性仍然值得懷疑[144]。Gurson模型是針對多孔金屬開發(fā)的，因此其物理意義與電池內(nèi)部顆粒狀粉末的物理意義完全不同，后者重要受顆粒之間的摩擦和相互用途支配?？紫抖葹镚urson模型孔隙率的上限是大約10％[51,144]，而實際上LIBS通常為30％-40％。由于這些原因，使用Gurson模型描述電池電芯的失效特點不如金屬那樣可靠。
3.2.3.4三個均勻模型的總結(jié)
總而言之，三種模型各有一定的優(yōu)缺點，但它們都不能涵蓋前面提到的所有四個重要屬性（見表5）。具體而言，沒有有關(guān)剪切帶形成和上升的數(shù)字表征的報道，如圖6所示。精確表征LIB的局部失效對電化學界仍然是一項艱巨的挑戰(zhàn)。Chung等人采用了Mohr-Coulomb（MC）模型[25]來表征這種特殊的故障模式。此外，作者還提出了一種適用于該模型的便捷校準方法，該方法僅依賴于一個平面應(yīng)變測試。MC模型的成功源于其描述粒子內(nèi)部摩擦的能力，這與圖4a所示的Drucker-Prager模型類似。它可以從本構(gòu)關(guān)系模型中斷層線的傾角為（π/4+φ/2）粒狀物與一個摩擦角φ[145,146]。因為傾斜角度為62，涂層材料的摩擦角度為34。
與Mohr-Coulomb和Drucker-Prager相比，可壓碎泡沫模型缺乏涂層的基礎(chǔ)物理特性，特別是顆粒之間的內(nèi)部摩擦。因此，盡管一些研究已經(jīng)采用了這樣的泡沫模型來模擬的電極和電芯中的拉伸/壓縮的不同，但它不能表征應(yīng)變局部化和壓應(yīng)力下軟包電池厚度方向上的剪切應(yīng)力帶的形成[53,100]。
3.2.4分析模型
先前描述的三種建模策略（詳細模型，RVE和均化模型）在很大程度上依賴于計算方法。它們中的每一個都要從許多不同的測試中獲得許多輸入?yún)?shù)。從實際應(yīng)用的角度來看，非常希望開發(fā)出能夠繞過耗時的有限元模擬的近似解決方法。用于圓柱形電池和軟包電池不同負荷條件許多分析研究已經(jīng)進行，包括半球形沖頭[25,99,147]，單軸面內(nèi)壓縮[99,107,108]，3點彎曲[99]，和圓柱形沖壓[25,103]。關(guān)于某些情況，可以預(yù)測完整的力-位移曲線。例如，通過半球形沖頭[99]橫向加載的軟包電池的模型出現(xiàn)以下負載位移曲線（P-δ）關(guān)系：
其中a是壓應(yīng)力拋物線的系數(shù)，R是沖頭半徑，hc是電芯的厚度，δ是沖頭的位移，σ0是鋁箔和銅箔的平均屈服應(yīng)力，hf是箔片的平均厚度，和N是箔的總數(shù)。
這種分析解決方法的強大之處在于，它們可以快速估計電芯對面外和面內(nèi)加載類型的抵抗能力。同時，他們通常只要一個簡單的校準實驗，這比數(shù)值模擬要少得多。梁模型供應(yīng)了局部屈曲波長和屈曲載荷的公式。由Timoshenko供應(yīng)的經(jīng)典教科書解決方法首次由Sahraei等人應(yīng)用[99]來確定屈曲載荷Δσ的全側(cè)向約束面內(nèi)壓縮的面應(yīng)變。
4第三部分，宏觀系統(tǒng)規(guī)模：電池模塊和保護結(jié)構(gòu)
汽車行業(yè)有興趣了解個體電池的豐富信息如何被整合到模塊和電池組的計算模型中。這里的困難來自實驗和計算方面。在實驗方面，有很多影響場景（側(cè)面或底部沖擊）以及模塊的不同設(shè)計。因此，全面的擠壓測試的成本將非常耗時且昂貴。有關(guān)電池模塊的濫用測試只有少數(shù)幾篇文章涉及有限范圍的形狀和負載條件。Xia等人[148]對包含一種大規(guī)格軟包電池的模塊進行了降落塔測試。測試計劃包括兩個不同形狀的沖頭和三個加載方向。使用30％和100％SOC模塊進行測試。在測試中測量的是負載，位移和電壓的時間歷程。在照片中，圖7a-c示出經(jīng)受圓柱形和楔式?jīng)_頭載荷電池模塊的大規(guī)模破壞。
有趣的是，模塊在平面電芯X，Y方向上的沖擊耐受能力比在平面外Z方向上高兩倍。只有在一次平面外加載情況下，測試后不久就開始冒煙和燃燒。這導(dǎo)致了一個有趣的假設(shè)：模塊在壓痕下的臨界位移比單個電芯大得多。這可以通過單個電芯擁有更多的自由度，作為一個整體出現(xiàn)剛體位移和旋轉(zhuǎn)而沒有過多的內(nèi)部損傷來解釋。
密歇根大學JwoPan's教授團隊針對兩片軟包電芯之間夾持一個散熱器的面內(nèi)實驗?zāi)Ｐ停l(fā)表了一系列論文[108,110,113,114,134]。在兩軟包電芯之間夾著薄鋁板散熱器的全約束系統(tǒng)上的實驗顯示了非常有趣的變形模式，如圖7d和e所示。可以看出波長與系統(tǒng)厚度的數(shù)量級相當，并且看起來彎曲曲率是由擱置在電池基座上的散熱板的屈曲決定的。在沒有散熱板的單個軟包電池的情況下，同樣的團隊也提出了另一種失效觸發(fā)機制。電芯完全放電。因此，不可能得出有關(guān)電短路和可能的火災(zāi)發(fā)生的結(jié)論。
最近，清華大學和麻省理工學院聯(lián)合起來，重新構(gòu)建了被大量報道的特斯拉地面撞擊起火事故（見圖8a）[147]。汽車底部的受損區(qū)域被限制在一個模塊中，該模塊包含大約400個圓柱形電池。電池組由6.35毫米厚的鋁合金裝甲板保護。通過詳細的仿真表明，在大約25毫米的穿透深度下，裝甲板破裂使未受保護的電芯暴露在進一步的變形和熱失控中。計算模型包括模塊的所有其他組件，每個組件上都有完整的材料輸入數(shù)據(jù)。這在圖8a中示出。
看來，電池模塊和組件進一步的測試和優(yōu)化，汽車公司應(yīng)該直接參與其中，因為計算模型非常依賴于設(shè)計。電池組集成到車身結(jié)構(gòu)內(nèi)部以后的一些試驗結(jié)果可以在下列出版物中找到[149-154]。例如，兩個歐盟項目，OSTLER（用于電動汽車的優(yōu)化存儲集成）[149]和SmartBatt[150]研究了電動汽車整體承受不同沖擊載荷的場景，包括EuroNCAP單點側(cè)面沖擊，補償變形障礙，前部碰撞和后部碰撞。其中，OSTLER項目的報告是最全面的。它顯示了豐田雅力士的地板安裝電池組在EuroNCAP以50km/h的速度單點側(cè)面沖擊下遭受嚴重侵入（154mm）（見圖8b）。最后的數(shù)據(jù)顯示了進一步研究日常道路交通事故中模塊和電池組的侵入和變形的重要性。
5總結(jié)和展望
總而言之，本文回顧了在不同尺寸規(guī)模的商用鋰離子電池的重點安全機械特性方面的最新技術(shù)，理論和模型。在微觀尺度和中尺度范圍內(nèi)，電池組元件的材料正在被廣泛研究，許多有用的材料本構(gòu)模型已經(jīng)得到了很好的研究。最重要的尚未解決的問題是涂層材料的表征，其變形機制尚未完全了解。在宏觀或電芯水平上，進行了不同類型的機械濫用測試以研究電池電芯的力學特性，并且已經(jīng)提出了許多詳細模型，RVE和均化模型。然而，仍然沒有均勻化模型可以同時表征如下四種重要的力學性能：應(yīng)力依賴性，材料密度，各向異性和剪切帶失效。在宏觀系統(tǒng)規(guī)模上，同時開展的實驗和數(shù)據(jù)研究仍然缺乏。現(xiàn)有的出版物著重于提高電動汽車保護結(jié)構(gòu)的耐撞性并減少電池電芯的變形。近期一些方向的總結(jié)如下：
供應(yīng)原位實驗證據(jù)。目前，用于電池損傷檢查的兩種最有用的工具是截面切割拋光和微CT掃描，這兩種方法都是驗后檢查，只能供應(yīng)最后時刻的斷裂信息。最近，X射線技術(shù)已經(jīng)足夠成熟，現(xiàn)在可以使用原位微CT和原位XRD測試來實時監(jiān)測材料在機械測試過程中的變形情況。與試后檢驗相比，這種現(xiàn)場測試可以供應(yīng)更多的信息，尤其是變形序列
圖8電動汽車碰撞事故的兩種情況（a）道路障礙物引起的地面撞擊[147]，撞擊物體可能侵入電池模塊;（b）EuroNCAP單極側(cè)撞擊速度為50km/h[149]，觀察到電池模塊出現(xiàn)大的變形，最大位移可達154mm。
標準化電芯級測試。電芯水平測試的設(shè)置在不同的研究團隊中差異很大，而且沒有有關(guān)測試設(shè)置的標準以及執(zhí)行測試的程序。為了使測試標準化，首先要明確的是不同負載條件下的功能。如本文所述，它們通?？梢苑譃閮山M，即材料測試和結(jié)構(gòu)測試。諸如平面內(nèi)和平面外壓縮之類的材料測試可用于模型校準，并且結(jié)構(gòu)測試（例如擠壓和半球形沖壓）可用于模型驗證。同時，結(jié)構(gòu)測試通常更接近到實際事故場景，因此可用于研究電池電芯的安全容限。
建模剪切破壞現(xiàn)象。在組件級和電芯級已經(jīng)提出了許多模型。然而，他們中沒有一個能夠表征剪切破壞現(xiàn)象，許多研究小組已經(jīng)觀察到這種現(xiàn)象。Greve和Fehrenbach[24]首先嘗試將Mohr-Coulomb應(yīng)用于電池模型，而Chung等人的最新工作[25]表明Mohr-Coulomb模型在建模這種局部失效模式時有效。因此，未來的研究可以集中在將MC模型實現(xiàn)為計算代碼。
動態(tài)測試和應(yīng)變率依賴性。非常要電池組件和單個電池的動態(tài)測試數(shù)據(jù)。關(guān)于汽車工業(yè)用途，測試應(yīng)涵蓋從0（準靜態(tài)）到500s-1的范圍，以滿足碰撞模擬的需求。準靜態(tài)測試（1s-1以下）可以使用通用測試機進行。關(guān)于動態(tài)測試，液壓機或分離式霍普金森桿是兩種常見選擇。電芯水平上的濫用測試要大量的動能輸入到結(jié)構(gòu)中。因此，降質(zhì)量系統(tǒng)更合適[155]。
有效的電池單體和模組的均質(zhì)模型。關(guān)于汽車行業(yè)而言，均質(zhì)化模型總是優(yōu)于RVE和詳細模型。關(guān)于電池組，現(xiàn)有的模型仍然不足以表征剪切破壞的特點。關(guān)于電池模塊，仍然沒有適用模型。為了填補這個空白，實驗和計算機模擬仿真研究都是必需的。
下一代電池。隨著電池技術(shù)的迅速發(fā)展，新的電池誕生于實驗室，其中一些甚至已經(jīng)進入市場。全固態(tài)電池被認為是鋰離子電池的下一代[156]。針對鋰金屬[157]、固態(tài)電解質(zhì)機械特性以及建立電芯級別的全固態(tài)電池模型[79,158]的研究已經(jīng)大量展開。然而，仍有許多安全機理問題要研究，例如鋰的沉積和枝晶的生長。‌‌‌‌
