圓柱形鋰電池受側向沖擊的結構分析和試驗研究

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圓柱形鋰電池受側向沖擊的結構分析和試驗研究

任何能量存儲系統（包括電池）設計的關鍵是對其安全性的設計，因而為提高鋰離子電池在汽車上的應用，需要對其在極端負荷條件下的力學特性（如機械沖擊特性）進行研究。目前，對鋰電池沖擊特性的研究主要集中于對平面屬性的研究，且沒有考慮電池內部未粘合的陽極、陰極及其之間隔膜的滑移。以汽車常用的圓柱形鋰離子電池為例，研究電池受沖擊尤其是側向沖擊的機械響應。

首先建立圓柱形鋰電池內部活性材料的均質模型。以江森自控制造的6P圓柱形鋰離子電池為試驗對象。該圓柱形電池由4個主要機械部件組成：內部活性材料、空心鋁管、鋁外殼和聚醚酰亞胺纖維隔板。由于內部活性材料由多層（陽極、陰極和隔膜）不同物質構成，因而其是非線性的，文中將內部活性材料假設為各項同性材料。為了建立內部活性材料的均質模型，對其進行非沿軸向的直接沖擊試驗，并利用商業化軟件對內部活性材料進行均質化模擬。直接沖擊試驗主要進行了橫向沖擊試驗，這是由于汽車上圓柱形鋰電池多為垂直放置。汽車發生碰撞時，電池受橫向沖擊的影響較大。試驗所用鋰電池為干電池，因其內部沒有電解質溶液，因而排除了爆炸和點燃的可能性。試驗使用一個2.8m的跌落試驗裝置，使用落錘引導鋰電池下落路徑并增加沖擊，采用的兩個落錘質量分別為11.34kg和22.68kg，并利用高速拍攝相機記錄跌路過程。鋰電池跌落過程中，會出現保護裝置失效和嚴重變形引起的外部電路短路等情況。分析鋰電池內部活性材料的形變，給出應力應變關系，建立活性材料的均質模型。將獲得的應力應變曲線納入到建立的鋰電池顯式有限元模型中，模擬沖擊試驗。試驗和模擬結果表明，給出的均質模型可以精確描述電池內部活性材料的機械特性。文中只針對單個鋰電池進行了分析，可利用有限元軟件對整個電池組的側向沖擊響應進行分析，以改善電池安全性的設計。

刊名：Journal of Power Sources（英）

刊期：2014年第271期

作者：Ilya Avdeev

編譯：陳丁躍