机械振动下缺陷锂离子电池的电化学降解行为

2026-03-17 10:41:07

摘要

机械滥用导致的缺陷电池电化学稳定性引发了严重的安全隐患。然而，这种电池在实际振动工况（关键运行场景）下的性能表现仍未得到充分认知。本研究通过实验与形貌表征相结合的方法，系统探究了机械损伤锂离子电池在振动条件下的电化学性能退化行为及其失效机制。缺陷电池样本通过准静态压痕和平板压缩两种方式制备而成。随后，在充放电测试中对存在缺陷的锂离子电池施加机械振动激励，以探究其对电化学性能特性的影响。研究发现，压痕缺陷电池存在特定的振动加速度阈值，超过该阈值后容量开始衰减。进一步对缺陷电池进行振动耐久性测试，以探究其在持续振动载荷作用下的电化学性能退化规律。通过对电池组件开展系统的失效分析，建立了所观测退化行为的结构-性能关联模型。基于实验数据提出了与加速度相关的振动耐久性阈值模型，为工程应用提供指导。此外，还探讨了缺陷类型、荷电状态（SOC）及充放电倍率等因素的影响。这些研究结果揭示了轻微变形电池在振动条件下的性能演变行为与临界阈值，为安全预警系统和退化预测提供了基础性认识。此外，该成果为制定电池应用与退役标准建立了科学依据，从而支撑锂离子电池循环经济体系的发展。

引言

为应对日益严峻的能源危机与环境污染挑战[1,2]，锂离子电池（LIBs）已成为电动交通运输、军事装备、潜水器及航空航天系统等领域的主要动力来源[[3],[4],[5]]。尽管其应用广泛，LIBs在多样且复杂的实际工况中仍面临重大挑战。不可避免的轻微碰撞会导致LIBs出现缺陷与形变，而机械缺陷的引入将加剧电池系统的安全隐患。此外，极端运行环境下的持续振动载荷是加速锂离子电池性能退化的另一关键因素。根据欧盟对电动汽车10万英里使用寿命的法规要求，车载电池不可避免地会长期处于振动环境中。在连续振动应力循环作用下，电池结构极易产生振动疲劳，导致累积损伤。严重时可能引发结构失效和电解液泄漏，造成重大安全隐患。因此，综合考虑机械缺陷与振动载荷的耦合效应，对带缺陷锂离子电池的振动特性进行全面评估，对未来保障严苛工况下的可靠运行具有重要意义。
近年来，随着电动汽车的蓬勃发展，因锂离子电池（LIBs）机械滥用引发的灾难性安全事故在全球范围内频发，已造成大量人员伤亡与经济损失[[6], [7], [8]]。然而与剧烈碰撞相比，轻微冲击在车辆事故中占比显著更高。遭受轻微碰撞的电池通常不会呈现电压跌落或温升等短路症状，导致电池管理系统（BMS）无法有效检测此类隐患。由于缺乏可检测的失效信号，这些缺陷电池系统的退役与回收变得极具挑战性。首先，大量研究聚焦于锂离子电池在机械滥用下的行为特征（准静态[[9], [10], [11], [12]]与动态载荷[9,[13], [14], [15], [16]]），并着力探究机械变形电池的短路风险[[17], [18], [19], [20], [21]]。Spielbauer等[22]通过系统研究18,650型锂离子电池在机械变形下的阻抗特性，结合计算机断层扫描（CT）辅助分析，阐明了内部损伤机制。基于此，Li等[23]建立了融合非线性多孔弹性模型与粘性接触面的有限元模型，成功预测了载荷响应与变形模式。Thangavel等[24]将数字图像相关法（DIC）与显微技术相结合，定量分析了电池横截面的应变分布，建立了电化学阻抗谱（EIS）特性与局部应变之间的关联。Shuai等[25]开发了一种融合实验与算法改进的等效电路模型（ECM），该模型为电池管理系统（BMS）提供了专用于变形场景的实时评估工具。Zhou等通过不同能量等级的冲击实验...[26]的研究表明，虽然较低冲击能量可能不会导致电压骤降，但可能引发电池的延迟失效。随后，为探究预变形电池在二次机械载荷下的性能表现，Jia等[27]对螺纹压痕缺陷电芯进行了重复压缩试验。其研究结果揭示了短路现象的显著加速，并为受损电池的容量损失与漏电流建立了可靠的安全评估方法。此外，Chen等[28]将实验研究扩展到多重动态冲击场景，发现无论冲击频率或能量水平如何，压痕深度始终收敛于约5毫米。更为重要的是，机械变形可能影响循环容量衰减特性。Wang等[29]通过实验证实，径向压缩变形会显著降低电池容量并加速容量衰减速率，而轴向压缩对容量衰减的影响可忽略不计。Shi等[30]研究表明，低荷电状态(SOC)的缺陷电池在容量与内阻方面均表现出更显著的衰减速率。Liu等[12]开发了原位这种机电化学测试系统能够直接观察机械载荷对电池微观结构的影响，同时阐明电化学性能衰减的潜在机制。最后，Yuan等人[31]通过在阳极人为引入可控表面缺陷，证实缺陷电池的循环容量衰减与死锂形成相关。
锂离子电池振动诱发安全问题的系统性研究直到近年才获得显著关注。目前学者们主要聚焦于纯振动载荷下的电池性能退化行为。Hooper等[32]按照SAE J2380标准对镍钴铝(NCA)电池开展振动测试，证实NCA电池的机械性能与电化学性能保持稳定。此后，Hooper等[33]将研究范围扩展至镍钴锰(NCM)三元锂电池，采用SAE J2380和WMG/MBK振动测试规范进行实验。研究发现，在z轴振动与75%荷电状态(SOC)条件下，电池性能衰退最为显著。基于此，Somerville等[34]利用X射线光电子能谱(XPS)技术探究了振动因素对锂离子电池性能衰减的影响机制。其分析表明，容量衰减与表面膜（固体电解质界面相，SEI）的破裂程度存在直接关联。Wu等[35]将X射线衍射(XRD)与扫描电子显微镜(SEM)纳入该方法学体系，进一步证实表面膜破裂是容量衰减与阻抗上升的首要机制。Wang等[36]通过锂离子电池系统性振动测试及失效分析，发现断裂的负极颗粒附着于隔膜表面，这种活性物质损失直接导致了电化学性能衰退。Zhang等[37]通过设计正交实验，系统研究了温度、振动频率及振动方向对锂离子电池电化学性能的影响。此外，要求锂离子电池在振动条件下保持正常的充放电功能。Shukla等[38]证实机械振动可使电池表面温度降低达5°C，且降温效果受振动幅度、频率及充放电速率的显著影响。Siddique等[39]探究了振动、泡沫铝集成与强制对流在充放电循环中对电池温度的综合作用。实验结果表明，这些因素均能提升电池的热管理性能。
如上所述，电池缺陷会对其电化学性能产生不利影响，而振动读档可能加速无缺陷电池的性能衰退。然而，现有研究主要集中于孤立分析这两个变量的影响，对缺陷电池在振动条件下的电化学行为关注有限。本研究首先通过准静态压缩试验制备了具有多种机械缺陷的锂离子电池。为模拟真实道路振动工况，我们对这些缺陷电池进行了振动条件下的充放电测试，系统性研究振动对其电压特性和热特性的影响。此外，通过开展长达200小时的振动耐久性试验，全面评估了长期振动对缺陷电池电化学性能及内部组件完整性的影响。此外，本研究还探究了缺陷类型、荷电状态（SOC）以及充放电过程对存在机械振动的缺陷锂离子电池电化学性能退化的影响。该研究首次系统性地通过实验验证了既有机械缺陷与振动环境对锂离子电池性能衰退的协同作用机制。提出的加速度相关振动耐久阈值模型定量界定了缺陷电池在不同振动强度下的安全服役寿命，为工程应用提供了直接的量化指导依据，填补了具有固有缺陷电池可靠性评估领域的关键知识空白。