霍克锂电池动态三点弯曲条件下锂离子电池的失效机制与多性向响应特性
摘要
锂离子电池（LIBs）因其优异的电化学性能获得广泛应用。本研究旨在揭示动态三点弯曲下的失效机制与多尺度响应特性。通过原位监测平台，阐明了电池逐步发生的机械与电学失效过程。采用定义的"相对压缩维度"指标，探究了读档速度对失效行为的影响。提出了电极的速率依赖性微观形貌特征。此外，阐明了不同冲击质量、荷电状态(SOCs)和环境温度下的失效特征。结果表明：在5 m/s冲击速率下，电池依次经历上部压缩变形、下部拉伸变形与开裂、冲头邻近剪切断裂（对应软短路ISC）、支撑邻近剪切断裂（对应硬短路ISC）以及卸载过程。所有剪切失效面均呈锥形。准静态条件下未发生微短路现象。极组在冲头附近发生瞬时完全剪切断裂，该现象与硬短路ISC同步出现。随着冲击速率的增大，失效严重程度加剧，且经验值re电极颗粒涂层的分层和开裂严重程度也随之降低。此外，冲击质量不影响电池的初始变形或下部拉伸断裂，仅影响压缩状态下的剪切断裂。较低的荷电状态（SOC）和较高的环境温度会导致更严重的内部短路（ISC）。本研究将为锂离子电池（LIBs）的优化设计与安全评估提供技术支撑。Dre decreases. The severity of delamination and cracking within the electrode particle coating also decreases. Furthermore, the impact mass does not influence the initial deformation or lower tensile fracture of the battery, but only affects shear fracture under compression. The lower SOC and higher environmental temperature result in more severe ISC. This work will provide technical support for the optimal design and safety assessment of LIBs.
引言
锂离子电池（LIBs）凭借其高能量密度、长循环寿命及低成本优势，被广泛应用于电动汽车（EVs）[1]、无人机（UAVs）[2]及军事装备[3]领域。尽管具备优异的电化学性能，该类电池在机械冲击下仍面临严峻安全风险。外部物体的动态侵入可能扳机内部短路（ISCs），甚至引发电池起火、爆炸等灾难性事故[4][5]。这种受多性向因素影响的失效过程亟待深入研究。
已有若干研究针对锂离子电池在冲击读档下的动态响应展开探讨。例如，Xu等学者[6][7]开创性地研究了电池的动态力学响应，同时考虑了结构与材料的应变率效应及惯性效应。Wierzbicki等人[8]进一步证实，湿电池中的应变率效应主要源于电解液。通过弹道冲击试验与有限元(FE)模型，研究者对电池在更高冲击速度下的力学响应进行了分析[9]。Hu等人文献[10]应用应力波理论分析电池动态响应，提出了速度相关的失效位移与内部短路位置判据。黄等[11][12]建立了大变形条件下圆柱形锂离子电池动态响应的理论计算方法，为提升耐撞性设计提供了理论指导。刘等[13]探究了电池模组内单体电池排列方式对其抗冲击性能的影响。近年来，学者们针对不同冲击速度下电池各组件（包括电极[14]、隔膜[15][16]及外壳[17]）的多尺度动态行为也展开了研究。尽管现有力学研究已深入揭示复杂电池结构的动态响应特性，但这些方法对于内部短路失效与安全性能评估仍属间接研究手段。
因此，电池在机械载荷作用下的电学响应特性已受到广泛关注。Chen等[18][19]提出了方形锂离子电池在机械冲击下发生的软短路与硬短路现象，该理论在后续研究中被广泛应用。Jia等[20]进一步分析了软包电池在冲击载荷下的失效过程，同时考虑了荷电状态(SOC)与加载速率的耦合效应。Zhou等[21]则通过实验解耦了冲击能量与速度对动态失效的影响机制。此外，他们比较了电池在准静态与动态条件下的失效机制[22]。Zhang等[23]对未失效的受冲击电池采用了电化学测试方法。Han等[24]则利用扫描电子显微镜（SEM）阐释了组件微观行为对不可逆容量损失的影响。实际上，电池的热蔓延与热失控行为对实时安全评估至关重要，这些行为同时取决于机械响应与电学响应。Xia等[25]、[26]在实验室中对100% SOC的电池组进行了掉落冲击试验，并评估了其热失控风险。为应对实验测试成本高、周期长的问题，Wang等[27]开发了多物理场耦合模型以反映受冲击电池的力-电-热响应。这些研究探讨了锂离子电池多物理响应的成因，为构建失效机制框架提供了重要结论。
我们先前的研究表明，锂离子电池（LIBs）复杂的内部机械响应与多相电响应之间的紧密关联，对阐明其失效机制具有重要意义[28][29]。在电动汽车（EVs）整车碰撞工况下，底盘与电池包底板结构会承受弯曲或扭转变形，导致部分电芯处于端部支撑边界条件。车辆部件或异物的侵入将引发电池遭受包括拉伸与压缩在内的复杂变形与损伤。标准动态压痕或压缩试验无法复现实际工况中的复杂应力状态。据报道，在准静态三点弯曲条件下，电池会经历拉伸与弯曲的复合变形[30]。显然，将准静态研究拓展至冲击载荷下的动态三点弯曲极具价值，但相关研究仍属空白。此外，已有研究证实冲击质量与速度对动态响应具有差异化影响[31]。诸如SOC[19][20]和环境温度[32][33]等因素也会显著影响电池的失效行为。实际应用中，电池在承受冲击载荷时[34]会面临多种环境应力的共同作用。因此，亟需建立一个动态三点弯曲下多因素耦合影响的失效机制与响应特性的理论框架。
