机械冲击下的动力电池，在不同尺度上表现怎样的特性？
来源：宝鄂实业
2019-03-28 14:17
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对于电芯而言，外力冲击，速率越高，可承受的力值越小；成组以后的电芯，可以承受更大的冲击变形，这些现象都是怎么回事。
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（一）
外力作用，造成电池机械结构的破坏，进而发生热失控甚至燃爆事故，这是电动汽车作为道路车辆遇到交通事故时，有可能发生的情形。MIT研究人员针对碰撞过程中锂电池在大中小尺度下发生的变化进行梳理，论文《A review of safety-focused mechanical modeling of commercial lithium-ion batteries》于2017年12月发表在电源杂志上，作者Juner Zhu等。
1介绍：多尺度下LIBs力学性能的研究
2017年推出的Chevy Bolt和特斯拉Model 3标志着汽车行业的新纪元。两辆车一次充电的距离超过200英里，并且拥有一个普通人也能负担的起的价位。根据瑞士联合银行的综合报告，汽油机和电动汽车的成本齐平的时间，将比原先预期的提前2 - 3年。这一趋势主要归因于锂离子电池在能量容量和电池组价格几个方面的成本同时下降带来的进步。
预计特斯拉Model 3的年产量将达到50万辆，通用汽车的Bolt产量稍逊于特斯拉。全新的日产Leaf续航达到150 - 200英里范围，将在2018年上市。总之，EV的总存量，已经在2016年越过百万台，现在又到达了一个质变的新起点上。国际能源署预测，到2025年，全球道路上将会有多达1亿辆汽车。数量如此之大，统计规律必然会发挥作用，电动汽车将会遇到与传统燃油车一样的事故率。必须回答的问题是，电动汽车将遇到哪些燃油车没有的新问题？
图1. LIBs的力学性能研究涉及多个尺度和学科，并且已经提出了各种模型来表征LIB在每个长度尺度下的力学行为。
人们普遍认识到，如果电池组在事故中撕裂或损坏，则可能存在电池热失控，火灾和爆炸。有几起事故，几乎可以说是广为人知。特斯拉Model S型车在撞上障碍物后起火，说明驾驶电动汽车确实存在额外的危险。随着锂离子电池和电池组容量的不断增加，在车祸中能够短时间释放出更多能量，使得事故的危险性也在增加。汽车行业，电池制造商，监管机构比如美国的NHTSA、德国的BAM以及保险业，应该准备好应对这一突出问题。
本文意在回顾碰撞事件中，电池承受机械负荷这个问题的研究进展。虽然有关电池电化学和热管理研究已经比较多，但由于机械负荷导致的电池响应和失效问题的研究却远远落后于当前的需要。在此之前，安全问题，主要是通过媒体曝光，进入大众视野，带来社会影响，但主要还是停留在谈资的阶段。在短期即将到来的未来，安全问题则已经实实在在的影响到社会经济和个人生活的层面，锂离子电池的碰撞安全应该得到适当的关注。
预防热过热和电池电过充电等的安全问题相关文献比较多，而本文回顾的重点放在刚性物体侵入电池单元，模块和电池组。电池组通常放置在汽车最不易变形的部位。但机械负荷仍然可能在碰撞事故中传导至电池包，尤其是在侧面碰撞，道路碎片冲击和小重叠碰撞测试中。由于碰撞期间的减速带来的冲击力，外部绝缘也可能损坏。这些类型的故障模式非常依赖于设计，电气系统设计更有责任考虑处理相关情况，而机械部分反而次之。
电池安全性的研究涉及多尺度。因此，本文分为三部分，分别讨论在特定尺度前提下，电池的安全问题，并在此基础上，说明进一步研究的方向。文章以简单易懂的表格形式介绍了过去十年研究的主要发现，其中包括不同形状商业化电池的典型参数，不同类型电芯赋予不同“形状因子”。重点回顾的文献，主要具备两个方面的特征，首先，文献需要解释电芯破坏和失效的具体过程和原理，形成短路和热失控的主要影响因素有哪些；其次，是涉及计算机仿真模型的，详细阐述了哪些测试参数需要考虑到有限元仿真模型计算中去。
2 第一部分：微尺度和中尺度：电池组元件的本构模型
目前市场上商用锂离子电池的卷绕式电芯（或电极堆）是一种多层结构（见图2a），一个可重复的单元由一个阴极，一个阳极和一个两层隔膜组成。
表格1
阴极集电极由铝箔制成，其两侧由活性材料和粘合剂涂覆。同样，阳极由涂有石墨（或硅）颗粒的铜箔构成。所有组件浸入电解质中，并用铝塑膜或钢壳包裹。不同电池制造商，各部件的化学成分和材料可能会有所不同，但这种可重复部件的基本结构几乎完全相同。图2（ b）- （ c）显示了NMC（镍 - 锰 - 钴）阴极，石墨阳极和微孔聚丙烯隔膜的商用锂离子电池组件的交叉部分。表格1定性描述每个部件的机械特性。在本节的其余部分中，将详细介绍所有组件的机械特性。
术语“形状因子”区分软包电芯，方形电芯，椭圆形电芯和圆柱形电芯。软包电池的尺寸可以从手机中的小电池到EV应用的大型二次电池。例如在特斯拉model S型中使用的最常见的圆柱形电池18650的直径为18毫米，长度为65毫米。特斯拉model3使用更大的圆柱体，2170单元。因此，电芯的大小不是“微”的。微尺度和中尺度标题，是针对涂层和隔膜的单个组件和复杂结构的厚度非常小。
2.1 集电极
商用锂离子电池的集电器是金属箔-用于阴极的铝和用于阳极的铜。该箔片的厚度为约10 - 25μm。铜箔通常比铝箔稍薄。这两种材料都表现出典型的金属材料的弹塑性力学性能。表2中给出铝和铜的弹性模量E和泊松比ν，塑性特性由各向异性和硬化曲线的系数定义。
图2.（a）锂离子电池的可重复单元（RVE）和组分的横截面；（b）NMC阴极；（c）石墨阳极和；（d）聚丙烯隔膜（微孔聚丙烯）。
表2，弹塑性参数集电体箔和18650电芯钢外壳体
2.1.1 塑性各向异性
在制造过程中，薄金属箔会经历多次滚压操作，从而在材料中引入一定量的塑性各向异性。有两个概念来量化该属性，第一个是屈服应力在不同方向上的比率，这表明材料强度的各向异性。根据集电体现有拉伸测试结果 ，在机器方向（MD，0°），垂直方向（TD，90°），和对角方向（DD，45°），屈服应力的差异几乎可以忽略不计（见图 3a）。
描述薄板塑性流各向异性的第二个概念是通过Lankford r值来定义的，该r值被定义为：
其中，ε p和ε p是当样品分别以x 1方向加载时，横向塑性张力和贯通厚度塑性应力。
材料在塑性变形过程中是不可压缩的。为了在拉伸测试中使材料变形，样品的宽度或厚度必须改变。物理上，Lankford参数告诉我们这两个变形之间的比率是多少。对于各向同性材料，宽度和厚度的应变分布是相同的，并且rL = 1。兰克福德r值的确定需要一个完整的全范围的应力测量，这通常使用数字图像相关（DIC）方法完成。图 3c显示了狗骨样本上的斑点图，和张量计上的虚拟十字形。图3b绘出了ε22-ε33 中相同的铝箔在三个方向的曲线，是商业化电池集电器，与图3 A中一样，用作商业LIB的集电体。这种材料的r值结果是0.2（MD），1.5（DD）和1.1（TD），这表明存在非常明显的各向异性（见表2）。
综上所述，集电器金属箔的现有测试数据表明，它们在材料强度上几乎是各向同性的，但对于弹塑性流而言具有高度各向异性。仅根据应力 - 应变曲线对各向异性进行描述，忽略r值可大大影响塑性应变分布，这种描述是不够的。还应该指出的是，精确测量应力 - 应变曲线和兰克福德r值需要测试装置的精巧设计。最大的挑战是如何对准试样而不引起边缘断裂，起皱和屈曲，这对于薄膜（大长度/厚度比）是非常常见的。克服这种困难的方法之一是微观测试，为此，试样的长度和宽度被设计为与厚度相同的数量级。图 3d显示了用于电池研究的微测试的加载装置。
为了对塑性各向异性进行数学建模，Hill48模型是金属成形领域中最简单也是最流行的模型。其屈服函数由下式给出：
其中σ ij是应力分量，F到N六个校准系数，和σ y（ε p）描述材料的应变硬化。还有其他各向异性屈服函数可用于集电器的建模，如YLD系列。
2.1.2 应变硬化
根据铝箔和铜箔的测试结果，它们都具有相对低的硬化率dσy/dεp。换句话说，硬化曲线σ y（ε p）倾向于随着塑性应变的增加而走平（参照图3的A）。Voce强化法可以很好地捕捉到这个特殊的特征，
其中σ 0，Q和β是三个进行校准参数。其他硬化法则，例如由幂函数定义的Swift定律
，更适合于描述更高硬化率。参数的典型值 σ0 ， Q ，和 β 在表2中给出。为了提高表征的准确性，两个硬化规律可以用一个加权系数结合在一起使用。
2.1.3 韧性断裂
铝箔和铜箔的断裂是由大的塑性变形引起的，在此期间，塑性应变迅速增加，但流动应力保持相对稳定。当前集电器的断裂行为属于韧性材料范畴，因此可以用合适的应变失效准则来描述。最简单的基于应变的韧性断裂准则是恒定的等效塑性应变，其中断裂假定发生在等效塑性应变达到临界值的材料中。这是一个深远的简化，因为实验表明裂纹应变取决于应力状态。一些金属材料在压缩下可以承受非常大的变形，而在张力下很容易失效。表2 列出了拉伸，双轴拉伸和平面应变张力下商业LIB的铝箔和铜箔的断裂应变。从数值中可以观察到很大的不同，这已被证明是服从莫尔-库仑（MC）断裂模型。
其中σ 1 和σ 3是最大和最小主应力，特别地，c 1 和c 2 是控制断裂轨迹的两个未知系数。MC准则可以从主应力空间转换到（σ，η，θ）空间。等效应力可以用应力不变量表示，
其中η和θ是三轴度和负载角参数，分别的定义：
图3.测试结果和金属部件的设置（a）用作阴极集电器的铝箔在三个方向（MD，TD和DD）上的工程应力 - 应变曲线，（b）铝箔拉伸试验的横向塑性应变 - 轴向塑性应变， （c）有斑点的狗骨样品上的横向应变和轴向应变的说明，（d）微测试的加载装置，（e）18650圆柱形电池的壳体的机械性能研究中的样本设计，（f） 电池组件的平面应变样本。
