1、引言

锂离子电池（LIB）因其高能量密度、长循环寿命和高能量转换效率等优点，在电动汽车（EV）、航空和航天等领域得到广泛应用，成为重要的储能设备。然而，在面临挑战的工况条件下，电池可能受到冲击、挤压等机械滥用载荷，导致损伤、失效甚至火灾、爆炸事故。因此，研究 LIB 在机械负载下的安全性能成为 LIB 研究的核心关注点。此外，相对于准静态加载，锂电池在冲击载荷下多物理场行为的研究仍不够充分详细，尤其是低速冲击下的损伤行为研究更少。因此，深入探究锂电池在机械负载下的安全性能显得尤为重要。

 

近日，能源与环境领域知名期刊《Energy & Environmental Materials，简称EEM》在线发表了西北工业大学民航学院/航空学院张超教授团队有关圆柱锂电池在动态载荷下的多场耦合失效机理行为的最新研究进展，揭示了圆柱锂电池在动态加载下的损伤行为和失效机理，分析了冲击能量、冲击时刻荷电状态等因素对圆柱锂电池失效模式和损伤程度的影响，论文题目为“Dynamic multi-physics behaviors and performance loss of cylindrical batteries upon low-velocity impact loading”。论文的第一作者为西北工业大学民航学院硕士研究生黄庆丹，通讯作者为西北工业大学民航学院/航空学院张超教授和民航学院贾亦楷教授。   

 

图1 论文发表情况

 

2、内容简介

本文以18650三元锂电池为研究对象，基于多物理实验系统开展了18650圆柱锂电池在低速冲击载荷下的力-电-热耦合行为的试验研究，冲击试验前后均进行了20次的循环充放电测试，还分别在开始循环前、加载前、加载后、最后循环后分别进行了四次电池内阻测试，其中内阻测试采取的方法是混合功率脉冲特性（Hybrid Pulse Power Characterization , HPPC）测试，如图2所示。动态冲击试验是在深圳万测落锤冲击试验机上开展的，使用圆柱形压痕冲头进行冲击，冲击过程通过力、电、热多物理场进行实时监测，如图3所示。

 

图2  (a)电池样品；(b)不同C率下的充放电测试曲；(c)不同C率下的SOH-循环次数曲线；(d) HPPC测试的典型流程和关键点

图3 落锤低速冲击试验的多物理量监测平台

在机械冲击加载开始时（以SOC=0.75、10 J冲击为例），加载位移和力均立即增加（图4）。在加载进行过程中，电池外壳表面出现了明显的凹痕，并随着加载的进行而加深。先是力达到了峰值，其次是凹痕处的位移达到了最大值。与此同时，电压开始下降。这是因为电池受到挤压，因此隔膜可能出现变形或破裂，从而导致ISC（内短路）和电压降低。红外热像图说明ISC在加载点（凹痕周围）的发生。温度峰值明显滞后于其他信号，反映了焦耳热传播到达电池外壳表面所需一定时间。最后随着卸载，力逐渐减小，由于电池的塑性变形，位移未完全恢复。电压回复逐渐接近其初始值，说明伴随着软短路的出现。   

 

图4 电池在低速冲击下的力-电-热耦合行为典型结果

通过数采实时监测电压信号的实验结果显示，在高冲击能量下，电响应存在显著差异：1）电压变化更快；2）最大压降更为显著；3）电压恢复速度更为缓慢（见图5）。这种现象可以归因于较大的冲击能量对应着更高的加载速度，意味着更早达到短路临界位移，进而加速了ISC现象的发生。同时，内部组件的结构变形增加，扩大了阴极和阳极之间的接触面积，导致短路电阻减小，从而产生更大的压降和更慢的恢复速度。   

 

图5 电池SOC=0.75时不同冲击能量下的电响应

通过冲击引起的容量变化和容量衰减速率的研究表明，冲击能量对容量衰减影响不大，但SOC水平有显著影响（见图6a）。在低SOC下，容量增加，而在高SOC下则减少。冲击可能导致活性颗粒脱落，引起部分活性材料损伤和轻微ISC。内阻方面，冲击后内阻普遍下降，且更大的冲击能量导致更显著的变化（图 6b）。在高SOC下，电极刚度增加，易导致裂纹和新接触，进而影响内阻。在不同C倍率下的比较表明，在1C下内阻减小趋势更明显，可能因为在低C倍率（1 C）下，SEI膜的生长相对较慢较薄，充放电循环引起的内部机械应变和裂纹需要更多SEI膜来稳定，导致内阻减小。示意图如图6c所示。

图6  (a)电池冲击后容量变化量；(b)电池冲击时刻内阻变化量；(c) 不同C速率下SEI薄膜变形和断裂导致的电导率变化

 

3、小结

本文着重关注圆柱形锂电池在电化学循环载荷与低速冲击载荷耦合作用下的损伤和失效行为，并基于试验研究，系统阐述了不同加载条件对电池力学、电化学响应的影响和对应的机理。实验部分，探讨了低速撞击在电化学循环和动态负载的影响下对锂电池性能和安全性的影响。冲击能量、充电状态 (SOC) 和 C 率等各种条件系统地揭示了机械、电化学和热反应以及损坏行为。研究表明，较高的冲击能量会导致结构刚度、最高温度和最大电压降的增加。此外，冲击能量和 SOC 的增加也会显著影响电化学参数，包括充电容量和内阻。研究方法和实验结果为加强安全设计、进行风险评估以及实现基于锂离子电池的储能系统的级联利用提供了启示。

 

原始文献：

Huang, Q., Bai, Y., Luo, H., Jia, Y. and Zhang, C. (2024), Dynamic Multi-Physics Behaviors and Performance Loss of Cylindrical Batteries Upon Low-Velocity Impact Loading. Energy Environ. Mater. e12771.    

原文链接：

http://doi.org/10.1002/eem2.12771    

 

来源：复合材料力学

关键词： 圆柱锂电池