隔膜作为锂离子电池中重要的组分材料吗？

其失效会直接导致电池的正负极接触而引发内短路。所以深入研究电池隔膜的机械属性，有助于从碰撞安全性的角度来选择电池所用的隔膜。

 

 

40层直径16 mm的圆形试件堆叠在一起，在200 kN MTS试验机上进行压缩试验。预载0.5 MPa消除试件的层间间隙，然后加载至100 MPa，再卸载至零应力。每种隔膜重复试验五次。

 

 

 

压缩试验中四种隔膜的名义应力-应变曲线和试验后的变形

 

干法隔膜具有很高的面内各项异性，并且应力应变曲线上有明显的屈服点。压缩后陶瓷涂层隔膜和无纺布隔膜试件均保持圆形，而干法隔膜试件变形为以MD为主轴方向的椭圆。

 

穿孔试验

 

穿孔试验使用的夹具内径32 mm，半球状加载头用聚四氟乙烯制成以减小摩擦，直径分别为3.175 mm、6.35 mm、12.6 mm和25.4 mm。试验在Instron Tabletop试验机上完成，加载速度为12 mm/min，直径为25.4 mm的加载头配合2 kN的载荷传感器进行试验，其余直径的加载头配合使用100 N的传感器。

 

 

 

穿孔试验的试验装置（聚四氟乙烯加载头，直径为6.35mm）

 

 

 

穿孔试验中四种隔膜在不同直径加载头下的载荷-位移曲线

 

 

 

加载头直径为6.35mm时隔膜失效情况

 

无纺布隔膜穿孔强度最低而陶瓷涂层穿孔强度最高。干法隔膜在大加载头下沿MD方向裂开，而陶瓷涂层隔膜和无纺布隔膜失效面积较小。

拉伸试验中四种隔膜的名义应力-应变曲线

 

两种干法隔膜各向异性明显，MD方向的强度显著高于另外两个方向，并且-DD和+DD方向强度相同。湿法陶瓷涂层隔膜四个方向上强度相当，但初始的弹性模量不同。无纺布隔膜强度很低，仅为高聚物隔膜的约五分之一，TD和MD下强度相近，但DD方向较弱。陶瓷涂层隔膜和无纺布隔膜在+DD和-DD方向下的应力应变关系也不相同。

 

 

干法隔膜三个方向下失效模式不同，陶瓷涂层隔膜三向下模式相似，无纺布隔膜失效应变很小

 

参考标准ASTM D882设计条状拉伸试件，总长60 mm，标距段长35 mm，按宽度分为 5 mm、10 mm、15 mm、20 mm和25 mm五组。隔膜被夹在笛卡尔坐标纸间，用剃刀沿机器方向（MD）、横断方向（TD）和两个对角方向（+DD和-DD）共四个方向切成试件。试验在Instron 5944单向拉伸试验机上完成，拉伸速度为25 mm/min，用于测力的载荷传感器量程100 N，而应变由数字图像相关法（DIC）得到。为了建立锂离子电池的失效预测模型，提高电动车用储能设备的安全性，有必要对电池模组进行极端冲击载荷下的机械滥用试验。试验矩阵可由冲击速度、冲击质量、模组受载方向和冲击头形状等多个影响因素组合生成。电池模组在不同加载工况下的变形和损伤模式，以及发生短路和热失控的可能性，均值得深入分析。这里我们以一种电池为例，介绍整个试验与分析过程。

 

试验选用的电池模组内含8个软包电池单体，额定电压7.4 V，额定电量 80 Ah，长（X向）270 mm，宽（Y向）160 mm，厚（Z向）73 mm，质量4.9 kg，其结构如图1所示。各块模组在试验前均充电至100% SOC。试验在落锤试验机上完成，通过自制的载荷传感器采集冲击载荷，应用非接触测量技术获取电池的变形数据。试验用落锤试验机经过专门针对电池碰撞试验的改造，除加装了防护罩和消防系统外，还增加了专业的烟气过滤排放设备，兼顾了安全和环保的要求。

 

 

 电池模组冲击试验装置：(a) 落锤试验机及烟气过滤和排放系统，(b) 电池模组固定方式；(c)X向冲击试验；(d) 不同冲击头下的Y向冲击试验；(e) 不同冲击头下的Z向冲击试验

 

展示了工况1至3的试验结果，可以看出，试验在三个工况下表现出了相近的规律。在初始阶段，框架结构的初始屈曲导致了载荷曲线上的第一峰。在接下来的阶段里，载荷曲线在一个较低的范围内波动，这个阶段里框架结构逐渐发生屈曲和破碎，同时电池单体也在以屈曲和折叠的模式变形。当侵入量大于160 mm后，载荷曲线显著上升，这时电池单体已经在冲击头作用下被压实。三种工况下均未观察到热失控的发生。