SSB蓄电池圆柱形锂离子电池在低速冲击下的动态响应特性与失效预测

2026-04-07 09:20:05

锂离子电池（LIBs）因其优异的能量密度而被广泛应用。本研究旨在提出一种针对两端完全固支圆柱形锂离子电池在跨中低速冲击下的动态响应计算与失效预测方法。该电池被简化为壳体-卷芯机械结构，通过有限元（FE）法推导并验证了跨中冲击下挠度与冲击力的理论解。基于挠度计算公式和最大允许挠度建立了动态失效准则。此外，对未发生机械失效的受冲击电池进行了电化学测试，分析了尺寸、质量和强度对动态响应的影响。结果表明，在此冲击条件下电池呈现机械失效而非常规的电性能失效。受撞击后未失效电池与全新电池相比，其循环容量略有下降，欧姆电阻减小，电荷转移电阻增大。较短的轴向长度和较大的质量意味着变形量更小，冲击力更低。当无量纲半径与屈服强度处于特定曲线上时，冲击力达到最小值。此外，在相同撞击条件下，荷电状态较高的电池表现出更小的挠曲变形。本研究将为锂离子电池的安全设计与失效预防提供指导依据。

图形摘要

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引言

近年来，传统能源短缺与环境污染问题日益严峻[1][2]。凭借能量密度高、循环寿命长及成本低廉等优势，锂离子电池（LIBs）已成为电动汽车[3]、无人机[4]和配对[5]等动力机械的首选储能装置。然而服役过程中的碰撞事件对LIBs构成重大安全挑战[6]。电池单体遭受机械形变乃至破裂时，可能引发内部短路（ISCs），进而导致起火、爆炸等灾难性后果[7][8]。如何预防LIBs在冲击载荷下的机械失效，仍是当前重要的研究前沿领域。
实验方法是探究锂离子电池在机械滥用条件下变形与失效行为的常用手段。例如，Wierzbicki等人[9]通过实验获取了圆柱形电池整体力学性能数据，并基于虚功原理计算出卷芯的应力-应变关系。Xu等学者[10][11]在准静态力学实验基础上，考量了电池结构与材料的应变率效应及惯性效应，进而提出新的电池机械完整性判据[12]。然而，电池内部复杂的多层结构阻碍了对特定失效行为的研究[13][14]。因此，研究采用失效后的同步力-电-热响应与内部形貌来分析失效机制。Xia等[15][16]分析比较了不同形状电池在多种压痕条件下的多物理场响应，阐明了材料断裂模式与内部短路（ISC）行为之间的关联关系。Shukla等[17]详细描述了四种圆柱形锂离子电池（LIB）的失效特征。张等[18][19]通过结合截面微观形貌揭示了冲击载荷下的失效模式。此外，黄等[20]将声发射方法引入电池失效行为研究，并详细划分了失效阶段。随后，王等[21][22][23]、李等[24][25]以及Makki等[26]分别研究了不同载荷条件下电池壳体、电极和隔膜的力学行为与失效特征。这些研究为表征电池内部多层结构的渐进失效行为提供了基础。考虑到实际运行环境，本研究针对极端条件下的锂离子电池机械失效行为展开探讨。Xia等[27][28]阐释了不同温度与老化程度下活性层特性对电池力学性能的影响，并建立了不可逆力与位移的预测模型[29]。Chen等[30]通过形貌变化与电压响应评估了盐雾腐蚀对电池失效的影响。这些研究为预防机械滥用条件下的锂离子电池失效提供了重要依据。
由于成本低廉且适用性广泛，有限元（FE）研究已得到广泛开展。Sahraei等人[31][32]率先建立了圆柱形和软包锂离子电池的各向同性均质化FE模型，其在不同准静态载荷下的实验数据与有限元计算结果高度吻合。Jiang等人[33]针对方形锂离子电池开发了考虑动态应变率的各向异性FE模型，该模型实现了对内部短路（ISC）演化过程的分析。Chen等人[34][35]则在FE模型中融入了各向异性、荷电状态（SOC）和健康状态（SOH）等多物理量耦合表征。通过准静态压缩与压痕实验研究了方形电池的力学响应特性，并基于实验结果进一步探讨了电池在遭受机械损伤时力-电-热行为的耦合关系。Liu等[36][37][38]采用均质化方法建立了圆柱形锂离子电池的多物理场有限元模型；Li等[39][40]则在精细化力学模型基础上开发了软包锂离子电池的多物理场有限元模型。然而，由于应变率效应和惯性效应[41][42]，电池在冲击载荷下的力学行为与准静态载荷存在显著差异。Li等[43][44]基于达西定律揭示了电解液对电池抗压能力的影响，并建立了考虑应变率效应的湿法软包电池有限元模型。Wang等[45]采用Johnson-Cook本构关系描述了均质化电芯卷的应变硬化行为，通过分析电芯卷内部应力分布揭示了内部短路的起始位置。总体而言，锂离子电池的有限元分析方法已被设计者和制造商广泛采用。
尽管在效率和力学机制方面具有优势，但针对碰撞工况下完整电池动态力学行为的理论研究仍然有限。目前，Wang等[46][47]基于二阶振荡特性提出了圆柱形锂离子电池的动态失效预测模型。采用该理论方法获得的机械失效位移误差控制在4%以内。在考虑结构变形与断裂的基础上，Li等[48]提出了一种理论模型来表征均质化电池在外载荷作用下的大变形行为。当锂离子电池(LIBs)受到异物局部冲击时，整个结构极易发生大变形从而导致内部短路(ISC)[49]，进而危及电池安全。其内在机理在于大变形导致的材料断裂会破坏机械完整性，最终引发电池失效。结构的最大允许挠度可作为最终断裂判据[50]。因此，我们认为电池结构在冲击载荷下的挠曲变形是判断其机械失效的关键。由于内部结构的复杂性及大变形条件下的轴向力效应，传统弯曲变形理论已不再适用。Yu等[51][52]率先提出了均质梁大塑性变形的理论预测方法，并首次引入"膜因子"概念。Qin等[53][54]与Liu等则进一步...[55]基于屈服准则推导了夹芯截面梁的动态响应解，所得结果与有限元分析结果高度吻合。近年来，邱等人[56][57]进一步发展了适用于大变形与载荷强度的量纲分析方法。我们针对18,650锂离子电池双层结构模型建立了屈服准则及轴力-弯矩关系，并成功分析了电池整体均布载荷作用下的动态响应特性[58]。研究已揭示大尺寸异物冲击下的动态响应特性。本工作将创新性地提出一个用于失效预测与响应特性分析的理论模型，旨在处理小尺寸异物对电池的冲击问题——这种冲击会引发完全不同的形变模式。该模型对应一种创新的电池安全测试工况：动态弯曲。
本研究提出了一种圆柱形锂离子电池在低速冲击下的动态响应计算与失效预测方法。第二章基于电池夹层截面的动态屈服准则，推导了无量纲挠度与冲击力的理论结果。第三章概述了有限元分析与实验的配置方案。第四章通过有限元结果验证了理论模型的准确性。通过结合最大挠度预测方程与允许最大挠度，建立了电池动态失效准则。针对未失效的受冲击电池，定量分析了其电化学性能衰减程度。进一步基于理论结果，系统探究了动态响应特性，包括响应时程曲线、电池结构参数影响以及荷电状态(SOCs)效应。