受沖擊荷載后未失效電池力學(xué)性能和電性能的劣化

關(guān)鍵詞：鋰離子電池；碰撞失效；性能劣化；二次加載；沖擊動力學(xué)

能源轉(zhuǎn)型與節(jié)能減排的需求極大地推動了機(jī)動車電動化的浪潮，保有量日益升高的同時新的安全問題也日益突出。由于絕大多數(shù)新能源汽車仍使用鋰離子動力電池儲能，而鋰離子電池的電化學(xué)特性，使其在受到外部機(jī)械荷載時內(nèi)部結(jié)構(gòu)會發(fā)生變形損壞，引發(fā)內(nèi)短路導(dǎo)致熱失控，甚至起火爆炸，造成人員傷亡[1-2]。近年來，電動汽車碰撞后或充電時起火燃燒的事故屢見不鮮。

鋰離子動力電池的燃燒事故具有發(fā)生速度快、難撲滅等特性，這極大地影響了其在具有碰撞風(fēng)險環(huán)境中應(yīng)用的安全性，同時也對動力電池的損傷評估與失效預(yù)測提出了更高的要求。從機(jī)械沖擊荷載的底層力學(xué)機(jī)制出發(fā)，探究動力電池的材料、結(jié)構(gòu)失效與電失效的關(guān)聯(lián)，分析外力導(dǎo)致的電池不同失效行為的內(nèi)在機(jī)制與影響因素，是當(dāng)前業(yè)內(nèi)研究動力電池碰撞安全的基本途徑[3-4]，也是指導(dǎo)電池及其防護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)。

在電動汽車、飛行器等應(yīng)用場景下，發(fā)生碰撞事故時電池受到的動態(tài)沖擊荷載相對于準(zhǔn)靜態(tài)機(jī)械濫用情況是一種更劇烈和危險的濫用工況。目前已有的研究已經(jīng)在一定程度上揭示了鋰離子電池動靜態(tài)響應(yīng)的區(qū)別以及深入分析的必要性。Xu等[5]最早通過均質(zhì)化有限元模型探究了圓柱電池的失效行為與加載速度的關(guān)系。Avdeev等[6]和Gilaki等[7]通過對圓柱電池芯材的力學(xué)性質(zhì)測試建立了精細(xì)有限元模型，并將高速沖擊模擬中的電池變形與落錘實(shí)驗(yàn)后的試件對比，得到了較好的一致性。Kisters等[8]對有無電解液的軟包電池和橢圓柱狀電池進(jìn)行了動態(tài)壓入/穿刺的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用半球沖頭以及0.01～5000mm/s的加載速度，綜合分析侵入力、侵入深度、速度以及電池電壓，發(fā)現(xiàn)橢圓柱電池失效時的臨界力隨加載速度的提高而升高，而軟包電池的臨界力隨加載速度的提高而降低。

Kermani等[9]在其研究中給出了一種通過低速實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)測電池在高速加載下的材料響應(yīng)及失效規(guī)律的方法，并分別總結(jié)了針對軟包和橢圓柱電池失效應(yīng)變與應(yīng)變率的線性關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式。Wang等[10]通過軸向沖擊/壓縮實(shí)驗(yàn)研究了不同化學(xué)體系的圓柱電池的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)不同體系電池的應(yīng)變率敏感性有明顯區(qū)別，在后續(xù)的研究中[11]，通過提出機(jī)械軟短路的概念建立了電池在動態(tài)壓縮時的安全評估模型，即將力位移曲線的一階導(dǎo)數(shù)曲線最大值對應(yīng)的位移（變形）作為電池在機(jī)械濫用情況下的安全警告值，實(shí)驗(yàn)證明這一值總是先于機(jī)械加載中電池電壓和熱的變化，且具有一定的安全余量，能夠?yàn)榻囯x子電池在工程應(yīng)用中的失效判定方法提供思路。Jia等[12]對軟包電池在動態(tài)落錘沖擊實(shí)驗(yàn)中的力-電耦合行為進(jìn)行了探究，研究發(fā)現(xiàn)，高SOC（stateofcharge）和加載速率會提高電池的動態(tài)剛度，且加載速率會強(qiáng)化SOC對電池剛度的影響。

除了導(dǎo)致動力電池嚴(yán)重受損并迅速熱失控的強(qiáng)碰撞事故之外，多數(shù)碰撞事故的速度都在50km/h以下[13]，此時傳遞至動力電池的荷載可能只造成其外部輕微變形且沒有立即發(fā)生失效。當(dāng)前大部分研究及電池的安全測試標(biāo)準(zhǔn)多側(cè)重加載后瞬間或短期發(fā)生失效的情形，對弱碰撞后電池繼續(xù)使用的潛在安全問題的探究仍然較少。已有電動汽車在碰撞后未立即起火，但送修后發(fā)生自燃的報道[14]。這說明，經(jīng)受荷載后的電池內(nèi)部存在無明顯短期宏觀表象的損傷，可能導(dǎo)致后續(xù)的嚴(yán)重電失效行為。因此，本文中對受沖擊后未發(fā)生電失效的電池進(jìn)行電性能評估及二次加載實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合拆解分析內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷與電性能和力學(xué)性能劣化的聯(lián)系，探究弱碰撞工況下的電池響應(yīng)機(jī)制，評估其重復(fù)利用的風(fēng)險。

1試件選取與實(shí)驗(yàn)方案

1.1電池試樣

測試選用市售內(nèi)部電極層為堆疊形式的軟包鋰離子電池，如圖1所示。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由正、負(fù)極極片依次堆疊在Z形折疊的隔膜中組成，其中正、負(fù)電極分別為鋁箔、銅箔上下表面涂布活性電極材料。該軟包鋰離子電池的尺寸為57mm×26mm×6.4mm，電容量為850mA·h，充、放電截止電壓分別為4.2和3V，正、負(fù)極材料分別為LiCoO2和石墨，正、負(fù)極集流體材料分別為Al和Cu，正、負(fù)極層數(shù)均為20。

1.2動靜態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)方案

為評估受到較弱沖擊荷載后，電池力學(xué)性能和電性能的劣化行為，采用先動態(tài)沖擊、后準(zhǔn)靜態(tài)壓入加載的實(shí)驗(yàn)流程，沖擊加載前后檢測電池的電性能變化，過程如圖2所示。動態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)在改進(jìn)后的Coesfeld落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，使用圖2所示定制的直徑為10mm的半球形沖頭，材質(zhì)為7075鋁合金，沖頭質(zhì)量為0.84kg。前述弱沖擊工況是相對于沖擊后發(fā)生電失效的工況而言，根據(jù)朱瑞卿等[15]研究結(jié)果，該型號電池在球形沖頭沖擊加載下的失效能量閾值為8J，因此，本文中弱沖擊實(shí)驗(yàn)工況的沖擊能量設(shè)置為3、5和7J等3個能量組，通過沖擊速度控制沖擊能量的大小，對應(yīng)3種工況的沖擊速度分別為2.67、3.45和4.08m/s。

沖擊過程使用NACACS-3高速攝像機(jī)記錄，拍攝分辨率和幀率分別為1028×624和20000s?1。實(shí)驗(yàn)后利用CorrelatedSolutionsVIC-2D軟件，采用數(shù)字圖像相關(guān)法計算沖擊過程中的沖頭速度及加速度，并進(jìn)一步根據(jù)牛頓運(yùn)動定律求得電池在加載過程中的沖擊載荷歷程。沖擊過程中，電池的電壓響應(yīng)由KeysightU2331A高速數(shù)采設(shè)備與高速相機(jī)同步記錄，采樣頻率為1MHz。為了防止受損電池可能的熱失控風(fēng)險，所有電池在進(jìn)行機(jī)械加載前都以1C（850mA）的放電率放電至3V截止電壓。

參考GB38031－2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》中對全新電池受擠壓時的要求，對受到較弱沖擊荷載后的電池，在后續(xù)服役中遇到受外部擠壓的情況，測試受損電池的抗二次荷載的能力。沖擊后的準(zhǔn)靜態(tài)壓入實(shí)驗(yàn)在MTS-E45電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。壓頭與沖擊實(shí)驗(yàn)相同，加載速度設(shè)置為2mm/min，壓入位置為沖擊實(shí)驗(yàn)中電池的變形區(qū)域，壓入過程中使用數(shù)據(jù)采集設(shè)備同步監(jiān)測電壓變化。

1.3弱沖擊后的電池電學(xué)性能表征

在沖擊實(shí)驗(yàn)前后，采用混合脈沖功率特性（hybridpulsepowercharacteristicstest，HPPC）測試和電化學(xué)阻抗譜（electrochemicalimpedancespectroscopy，EIS）測試對電池的容量、直流內(nèi)阻、交流阻抗以及dQ/dV微分增量曲線（Q為電池容量，V為電池電壓）進(jìn)行評估分析。

HPPC測試借助電池循環(huán)儀（NewareCT4008-5V6A）進(jìn)行。考慮到本研究中所用電池的規(guī)定放電率以及所用電池測試系統(tǒng)的實(shí)際功率，實(shí)際測試流程分為以下4個步驟。

（1）測試以充滿電的電池開始。首先，電池以1C的放電倍率，按恒流（constantcurrent，CC）方式完全放電至3V。放電結(jié)束后，再以4.2V電壓和0.5C的充電倍率，按恒流-恒壓（constantcurrent-constantvoltage，CC-CV）方式充電至4.2V。這一過程是為了得到實(shí)驗(yàn)電池充放電曲線的基線。放電充電結(jié)束后，電池靜置1h，使其內(nèi)部恢復(fù)到電化學(xué)和熱力學(xué)平衡狀態(tài)。

（2）電池以1C的倍率，按CC方式放電額定容量的10%，以保證后續(xù)過程從10%的放電深度（depthofdischarge，DOD）開始。之后，電池放置1h恢復(fù)平衡狀態(tài)。

（3）HPPC測試過程中電池相對電流的時間演化見圖3，本次實(shí)驗(yàn)中實(shí)際電流值和測試過程定義如下：電池以3C的放電倍率，按CC方式放電10s，靜置40s后，再以1.5C的充電倍率，按CC方式充電10s。之后，電池以1C的放電倍率，按CC方式放電，使得該步驟總放電容量約為10%DOD。最后，電池放置1h恢復(fù)平衡態(tài)。

（4）重復(fù)步驟（3），分別在每隔10%DOD（10%DOD、20%DOD、······、70%DOD和80%DOD）的狀態(tài)下對電池進(jìn)行圖3所示的放電過程，直至電池電壓下降至3V。

容量增量分析（incrementalcapacityanalysis，ICA）通過小電流對鋰離子電池進(jìn)行充放電，并記錄充放電參數(shù)，得到電量和電壓數(shù)據(jù)，通過電量增量dQ與電壓增量dV的比值得到dQ/dV這一新參數(shù)，用以表征單位電壓長度的容量變化[16-17]。以dQ/dV為縱坐標(biāo)、電池電壓V為橫坐標(biāo)，就能得到一個標(biāo)準(zhǔn)的微分增量曲線，表示在單位電壓范圍內(nèi)材料所含有的容量。該測試同樣在電池循環(huán)儀上進(jìn)行，以C/25的低倍率對電池進(jìn)行充放電，截止電壓設(shè)為3.0～4.2V。

EIS測試使用交流阻抗測試儀（江蘇東華DH7007）進(jìn)行。通過電池對不同頻段交流激勵的響應(yīng)，測量交流電勢和電流信號的比值，輔助表征電池內(nèi)部性能的變化。測試中設(shè)置的掃描頻率范圍為0.1Hz～10kHz，掃描電壓幅值為10mV。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1沖擊過程的力電響應(yīng)

不同沖擊能量下，電池在加載過程中的受力及電壓變化如圖4所示。圖中給出了重復(fù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，可以驗(yàn)證沖擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。在朱瑞卿等[15]的研究中，較大能量沖擊下電池電壓出現(xiàn)明顯下降并立即失效，與之不同的是，在3～5J的沖擊能量下，雖然沖擊過程的峰值力隨沖擊速度由約6kN上升至8.5kN，但電壓在此過程中僅出現(xiàn)小于0.1V的輕微下降，且在沖擊結(jié)束后立即快速恢復(fù)至實(shí)驗(yàn)前水平。隨后的靜置觀察中，沖擊后的電池在幾天內(nèi)電壓均保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)較大沖擊能量下電池自放電伴隨電壓緩慢下降的延遲失效行為[15]。對于受到?jīng)_擊后處于此種狀態(tài)的電池，其在被繼續(xù)使用時的電性能變化以及再次受載時的失效風(fēng)險需要進(jìn)一步評估。

2.2沖擊后電池的性能劣化

圖5為上述沖擊后電池的電性能劣化表征結(jié)果。沖擊后的電池容量損失如圖5（a）所示，可以看出，3J沖擊后的電池容量基本與實(shí)驗(yàn)前一致，僅有4.57mA?h的容量下降；而在5和7J能量沖擊后，電池都出現(xiàn)了較大的容量損失，分別達(dá)到52.67和100.33mA?h。電池容量主要由電極面積和電極材料的能量密度決定。這一結(jié)果說明，在沖擊能量達(dá)到一定限值時，即使電池未發(fā)生內(nèi)短路，其電極材料可能已經(jīng)先于隔膜產(chǎn)生損傷，影響了充放電過程中正常的脫嵌鋰過程。考慮到單體電池在工程應(yīng)用中多通過串并聯(lián)構(gòu)成電池組參與供能，可知弱沖擊下單個電池的容量下降將對電池組的一致性產(chǎn)生影響，影響電池組整體的容量釋放。

電池在沖擊前后不同放電深度（DOD）時的放電內(nèi)阻如圖5（b）所示，可以看到，經(jīng)歷過3J能量沖擊的電池，其直流內(nèi)阻相比受沖擊前僅有微小增高，而在5和7J的能量沖擊下，內(nèi)阻在放電過程的不同階段都發(fā)生了顯著升高，尤其是在高放電深度下，內(nèi)阻相比未受沖擊的電池升高近3倍。這可能導(dǎo)致充電過程中更多的產(chǎn)熱，以及放電過程中功率的下降。近期的一個關(guān)注軟包電池在壓入工況下相關(guān)行為的研究也報道了類似的結(jié)果[18]。雖然內(nèi)阻升高與沖擊能量顯示正相關(guān)關(guān)系，但是基于目前的結(jié)果還無法將電池內(nèi)阻的升高幅度與外荷載的大小做量化分析，因?yàn)殡姵氐膬?nèi)阻（極化內(nèi)阻）是外部因素與內(nèi)部因素共同作用的結(jié)果[16，19]。這一問題還需更細(xì)致的研究繼續(xù)探索。

EIS實(shí)驗(yàn)得到的電池受機(jī)械加載前后的Nyquist圖如圖5（c）所示。根據(jù)不同頻率激勵下的，沖擊后電池的譜圖相較新電池，超高頻區(qū)（即圖像與X軸的交點(diǎn)）所代表的歐姆阻抗、高頻區(qū)（即第1個半圓弧）代表的鋰離子通過SEI（solidelectrolyteinterface）膜的阻抗，以及低頻區(qū)（右側(cè)斜線斜率）所代表的鋰離子在電極材料中的擴(kuò)散阻抗均未發(fā)生明顯改變，而主要在中頻區(qū)（第2個半圓弧）所代表的電荷轉(zhuǎn)移阻抗受到了影響，且偏移程度（圓弧半徑）與沖擊能量呈正相關(guān)。這意味著受沖擊后的電池電極表面與電解液間的電荷轉(zhuǎn)移阻力增高。離子遷移阻塞導(dǎo)致的鋰離子濃度升高[20-21]以及隔膜變形后離子電導(dǎo)率的改變[22]等與沖擊荷載相關(guān)的因素也可能對此效應(yīng)的產(chǎn)生有一定貢獻(xiàn)。

電池沖擊后的容量增量曲線如圖5（d）所示，根據(jù)Meddings等[17]和Ferg等[23]的研究，峰1的高度和位置對應(yīng)了負(fù)極的狀態(tài)，峰2的高度和位置對應(yīng)了正極的狀態(tài)。整體來看，沖擊后峰1的下降更明顯，對應(yīng)了損傷更嚴(yán)重的負(fù)極。對于3J能量沖擊的電池，峰1和峰2的下降都不明顯，電池的正負(fù)極狀態(tài)與沖擊前區(qū)別不大。隨著沖擊能量的升高，峰1的高度開始有差距，負(fù)極的破壞隨沖擊能量的升高而更嚴(yán)重，同時峰1的位置右移，表明了鋰離子電池在負(fù)極上的阻抗增加[23]，而正極狀態(tài)對應(yīng)的峰2在5和7J沖擊后沒有顯著變化，表示隨著沖擊能量的升高，正極沒有被進(jìn)一步破壞。

2.3內(nèi)部電極與隔膜損傷形態(tài)

對上述沖擊后的電池進(jìn)行拆解，進(jìn)一步分析其內(nèi)部損傷形態(tài)，首層正負(fù)極以及隔膜的變形情況如圖6所示。內(nèi)部電極層的變形隨沖擊能量的升高變得更嚴(yán)重，3J能量沖擊后電極層出現(xiàn)較淺的凹坑，壓痕位置表面較光滑；5和7J能量沖擊后，壓痕位置凹痕變深，其中5J工況的負(fù)極以及7J工況的正負(fù)極出現(xiàn)環(huán)狀剪切變形帶。進(jìn)一步拆解發(fā)現(xiàn)，在7J能量沖擊工況下，第18層電極負(fù)極石墨涂層出現(xiàn)脫落，而正極涂層的損傷程度明顯更低，如圖7所示。弱沖擊下電極損傷整體表現(xiàn)出負(fù)極受損更嚴(yán)重的趨勢，而隔膜在這些工況下均未出現(xiàn)明顯破裂。這與2.2節(jié)中沖擊后電池容量下降和阻抗上升的趨勢一致。同時，正負(fù)電極對沖擊損傷的敏感性也與ICA分析結(jié)果對應(yīng)。

由此可見，在經(jīng)受較弱沖擊后，電池的容量和直流內(nèi)阻與其內(nèi)部的變形損傷程度存在相關(guān)性。若需進(jìn)一步判斷沖擊荷載對電池內(nèi)部具體反應(yīng)過程的影響，包括隔膜、電解液和電極的功能完整性，可以通過交流阻抗的測試輔助分析。而通過容量增量曲線則可以判斷正極和負(fù)極受損的嚴(yán)重程度。電池拆解后的內(nèi)部損傷形態(tài)與電性能測試結(jié)果的吻合，說明通過電性能測試判斷較弱碰撞事故后電池的內(nèi)部損傷和是否能重復(fù)利用存在可能。

3沖擊后電極狀態(tài)對電池抗靜壓能力的影響

3.1準(zhǔn)靜態(tài)壓入下的力電響應(yīng)與失效閾值

判斷輕微碰撞后未發(fā)生電失效的電池的重復(fù)可用性，除了要考慮電性能的劣化，也要考慮其再次受到外部荷載時發(fā)生失效的風(fēng)險。對遭受了3、5和7J能量沖擊的電池進(jìn)行電性能測試后，進(jìn)一步開展了2mm/min的球頭準(zhǔn)靜態(tài)壓入實(shí)驗(yàn)。通過這一實(shí)驗(yàn)，得到了受損電池的受力和電壓隨壓頭位移的變化曲線，并與未受沖擊電池做對照，重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。在準(zhǔn)靜態(tài)壓入工況下，通過電壓發(fā)生驟降判斷電池失效，將該時刻的壓頭位移定義為電池的失效位移。總體來看，無論是受沖擊后的電池還是未受沖擊的電池，電壓下降點(diǎn)都與力的峰值對應(yīng)，表明電池的宏觀電失效和結(jié)構(gòu)破壞在加載歷程上具有一致性。

不同沖擊工況后電池受準(zhǔn)靜態(tài)壓入時的剛度變化如圖9所示，可以看出：遭受過3和5J能量沖擊的電池受準(zhǔn)靜態(tài)壓入時的等效剛度相較未受沖擊的電池有輕微升高，失效位移有所提前，峰值力也有所下降；而遭受過更高的7J能量沖擊的電池受準(zhǔn)靜態(tài)壓入時的失效位移和峰值力進(jìn)一步減小，且等效剛度上升更明顯。結(jié)合前面的拆解分析，在3和5J能量沖擊后，電池內(nèi)部的電極隨已出現(xiàn)變形，但整體結(jié)構(gòu)依然完整，由于局部被壓實(shí)后的塑性變形，導(dǎo)致再次受載時剛度提升以及整體可承受壓入深度的降低。7J能量沖擊后，作為主要承載部件的電極已出現(xiàn)涂層脫落現(xiàn)象，使得再次受載時電池的承載能力嚴(yán)重下降。

受不同能量沖擊后的電池再次受壓時，其等效剛度（圖9中平臺段）、失效位移、峰值力及可承受的變形能變化如圖10所示，其中0J沖擊能量代表全新電池。可見，相較未受沖擊電池5.29kN/mm的剛度，受3、5和7J能量沖擊后電池的剛度分別升高至6.27、6.30和7.08kN/mm。相對應(yīng)地，受壓時失效位移/峰值力由未受沖擊電池的3.46mm/14.00kN，分別下降至2.86mm/11.39kN、2.76mm/10.98kN和2.32mm/9.04kN。此外，對于二次受壓至失效時所能承受的變形能：未受沖擊的電池，21.00J；遭受過3和5J能量沖擊的電池，均下降約50%，分別為12.63和11.04J；遭受過7J能量沖擊的電池，下降至6.88J。

由此可見，電池受沖擊后，其內(nèi)部的機(jī)械完整性已受到一定程度的破壞，導(dǎo)致其臨界失效時的力的拐點(diǎn)（峰值力）都有所降低。然而，電池失效位移的提前和剛度的提升可能是由于沖擊實(shí)驗(yàn)已導(dǎo)致電池發(fā)生塑性變形，此時電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)空隙變致密，剛度上升。且隨著沖擊能量的升高，沖擊造成的電池變形深度也升高，當(dāng)使用同種尺寸的球頭對這些電池的變形區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮時，失效時對應(yīng)的承載能力均發(fā)生明顯劣化，即使僅受3J能量的沖擊荷載，電池仍能正常充放電，其所能承受的變形能也下降近50%。這意味著，受沖擊后的電池即使未失效，其再次受到機(jī)械濫用時的失效風(fēng)險也會升高。

3.2沖擊損傷電池的可用性量化評估

經(jīng)過上述實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電極作為電池除外殼以外的最主要承載結(jié)構(gòu)，其發(fā)生損傷后，不僅電池的電性能會出現(xiàn)明顯衰退，往往還伴隨著力學(xué)性能，即抵抗機(jī)械濫用性能的劣化。當(dāng)沖擊后電極的損傷達(dá)到一定程度時，電池不僅難以滿足充放電供能需求，還更易發(fā)生失效風(fēng)險。由第2節(jié)中的分析可知，電池電性能的變化一定程度上可以表征電極的損傷程度，因此可以通過檢測電池的電性能來評估電極的損傷狀態(tài)，進(jìn)而對電池的可用性進(jìn)行判斷。對于電池的電性能，電池容量和直流內(nèi)阻可以直接用來定量判斷，而交流阻抗和容量增量曲線則需要借助對圖像的精確解讀來分析。因此，這里選取受損電池相對新電池的容量衰退百分比以及直流內(nèi)阻上升百分比，作為從電性能劣化角度評估沖擊后未損傷電池重復(fù)可用性的依據(jù)，其中直流內(nèi)阻選用各個放電深度的平均值。

對于沖擊后電池力學(xué)性能的衰退，可以借助靜壓下的電池失效峰值力相比新電池下降的百分比、失效位移下降百分比，以及失效時對應(yīng)的變形能下降百分比進(jìn)行評估：

實(shí)驗(yàn)中不同能量沖擊后電池電性能和力學(xué)性能的衰退總結(jié)于圖11。可以看出，3J能量沖擊后電池的容量為新電池的99.4%，此時內(nèi)阻僅上升4.2%，這種程度的電性能衰退在電池的正常使用的老化中也會被發(fā)現(xiàn)[24]；相比之下，此工況下電池的力學(xué)性能衰退更明顯，失效峰值力和失效位移均下降約18%，失效時對應(yīng)的變形能下降達(dá)到40%。而對于沖擊能量更高的5和7J工況，沖擊后電池的力學(xué)性能和電性能劣化均更明顯。7J能量沖擊后，電池平均內(nèi)阻上升28.7%，容量降為新電池的87.9%，已無法保證正常供能；失效峰值力和失效位移均下降約34%，失效時對應(yīng)的變形能下降達(dá)到67%，在后續(xù)遭受機(jī)械濫用的情況下失效風(fēng)險顯著提高。

因此，電池受到較弱沖擊后即使未發(fā)生電失效，其放電性能和承載能力也會受到影響。對于經(jīng)歷碰撞事故的電池，在評估對其是否進(jìn)行更換或回收利用時，應(yīng)綜合考慮后續(xù)使用中的電性能需求及機(jī)械濫用事故風(fēng)險。對性能衰退較大的電池，電極可能受損嚴(yán)重，可結(jié)合電化學(xué)阻抗譜和容量增量曲線，對電池狀態(tài)做深入分析，若發(fā)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移阻抗顯著增大或特征峰明顯下降，則電極可能存在斷裂，此時重復(fù)使用，事故風(fēng)險較大。需要注意的是，本文中僅針對單體電池沖擊提出可用性量化評估的可能方向，具體的評價模型以及參量臨界值的選取，應(yīng)根據(jù)電芯類型以及成組方案，綜合考慮個別電芯由于受載導(dǎo)致的單體間的容量和內(nèi)阻差異進(jìn)行設(shè)計確定。

4結(jié)論

通過對經(jīng)受弱沖擊的軟包電池的電性能表征和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷分析，結(jié)合沖擊后二次壓入實(shí)驗(yàn)，研究了軟包鋰離子電池在受碰撞后未發(fā)生電失效情況下的電性能和力學(xué)性能劣化行為，得到的主要結(jié)論如下。

（1）電池在受沖擊后會發(fā)生電性能的劣化，這一劣化行為與電極層的變形損傷有關(guān)，且與沖擊能量呈正相關(guān)。除了存在直接造成電池發(fā)生電失效的沖擊能量閾值外，同樣存在造成電性能劣化的更低沖擊能量閾值。3J能量沖擊下，電池的電性能基本不變；5和7J能量沖擊下，電池的容量和內(nèi)阻等急劇劣化。

（2）通過電性能測試評估碰撞后電池的重復(fù)可用性存在可能。對沖擊后電池的電性能表征和拆解分析表明，容量、直流內(nèi)阻、交流阻抗以及微分容量曲線的變化與電池的內(nèi)部損傷存在相關(guān)性。后續(xù)研究可以繼續(xù)探究碰撞后不同類型電池的容量和直流內(nèi)阻變化同其內(nèi)部變形損傷關(guān)聯(lián)的普適性，以及交流阻抗和容量增量曲線分析對判斷沖擊后不同類型電池內(nèi)部反應(yīng)過程的適用性。

（3）在較弱沖擊荷載下，電池隔膜不會破壞產(chǎn)生電壓立即下降的電失效，但再次承受準(zhǔn)靜態(tài)荷載時，會出現(xiàn)剛度上升，失效位移、峰值承載力以及加載至失效時可吸收的變形能下降的現(xiàn)象，即更易導(dǎo)致失效。且相比電性能的劣化，沖擊后電池力學(xué)性能的下降更明顯。

（4）可以借助電池容量、內(nèi)阻，以及可承受的變形承載極限相較新電池的變化，分別從電性能和力學(xué)性能兩方面量化評估沖擊損傷電池的安全與重復(fù)可用性。3、5和7J能量沖擊下，容量分別變?yōu)樾码姵氐?9.4%、93.6%和87.9%，內(nèi)阻分別上升4.2%、16.2%和28.7%，失效位移分別減小約18%、21%和34%，失效對應(yīng)變形能分別下降40%、47%和67%。