車(chē)在江湖，安全第一。作為最引人注目的江湖新秀，電動(dòng)汽車(chē)急需在安全這門(mén)武功上給自己加碼。電池包力學(xué)仿真模型的開(kāi)發(fā)對(duì)未來(lái)電動(dòng)車(chē)的碰撞安全性開(kāi)發(fā)起著關(guān)鍵性的作用。對(duì)鋰電池的組分材料的力學(xué)行為研究，旨在為精細(xì)化的電池包模型建立基礎(chǔ)。本文將為大家介紹本課題組在鋰電池組分材料上的相關(guān)研究。

首先，拆開(kāi)鋰電池單體，我們將看到如下場(chǎng)景（中間為穿刺試驗(yàn)留下的穿刺孔）：

圖1.軟包鋰離子動(dòng)力電池組成

鋰電池內(nèi)部電芯由“電極-隔膜-電極”的次序組合堆疊而成，而電極通過(guò)在集電器（正極為鋁箔，負(fù)極為銅箔）兩側(cè)涂覆活性涂層而獲得，這些組分在電解液的浸潤(rùn)下即組成了完整可用的鋰離子電池單體。

電極的金屬集電器與涂層力學(xué)性能差異明顯，因此在精細(xì)化建模中需要分別考慮二者的貢獻(xiàn)。單獨(dú)對(duì)涂層材料進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)不具備現(xiàn)實(shí)條件，因此對(duì)正負(fù)電極和去除涂層后的集電器進(jìn)行不同加載速率下的拉伸試驗(yàn)。

圖2.電極材料單向拉伸試驗(yàn)結(jié)果

為了直觀地表現(xiàn)涂層對(duì)電極的影響，應(yīng)力計(jì)算中集電器厚度與電極厚度統(tǒng)一為集電器厚度。從圖2可以看出，不論是應(yīng)變率還是涂層的影響都集中在塑性段，涂層一定程度上增強(qiáng)了集電器單向拉伸下的失效載荷；電極去除涂層的過(guò)程有可能對(duì)電極片造成了損傷，降低了其失效應(yīng)變，以正極材料尤為顯著；正負(fù)極的各向異性都不明顯。綜上所述，對(duì)電極的有限元仿真建模，需要考慮到電極的應(yīng)變率效應(yīng)以及涂層對(duì)金屬集電器帶來(lái)的影響。相比于電極材料的拉伸性能，涂層對(duì)電極材料力學(xué)性能的影響更多地體現(xiàn)在對(duì)電極材料和電池單體在壓縮性能上的影響，詳細(xì)信息可關(guān)注本課題組羅海靈的相關(guān)研究。

對(duì)隔膜的力學(xué)行為表征是建立精細(xì)化模型的重中之重，隔膜的破裂/失效是觸發(fā)電池短路的重要原因。同樣地，對(duì)隔膜材料也進(jìn)行了不同方向不同應(yīng)變率的加載試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)隔膜表面進(jìn)行了顯微掃描，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，本研究使用的隔膜材料為單層陶瓷涂覆隔膜。與電極材料不同，隔膜材料在拉伸過(guò)程中表現(xiàn)出了顯著的各向異性以及覆蓋全應(yīng)變區(qū)間的應(yīng)變率效應(yīng)。此外，不同方向的隔膜材料呈現(xiàn)出不同的斷裂模式，其中0°方向呈現(xiàn)出不規(guī)則的斷口，45°以及90°試件是直線型斷口。

圖3.隔膜拉伸試驗(yàn)結(jié)果與掃描試驗(yàn)結(jié)果

隔膜的各向異性行為以及不同的斷裂形式需要從隔膜的制造工藝說(shuō)起。隔膜主要有干法和濕法兩種制備工藝，兩種工藝都離不開(kāi)后期單向或者雙向拉伸對(duì)薄膜進(jìn)行取向處理以形成或者擴(kuò)大薄膜的微孔，從而實(shí)現(xiàn)隔膜在電池內(nèi)部”電子通道“的功能。從隔膜的顯微圖像可以清晰地看到內(nèi)部的微孔，同時(shí)可以看出隔膜內(nèi)部主要纖維（圖中較粗部分）呈現(xiàn)一定的取向性排布，而這種取向性排布正是隔膜顯著各向異性的主要原因。

至此，不同方向隔膜斷口形式的不同也得到了解釋，在0°方向的隔膜斷裂有內(nèi)部主要纖維的斷裂產(chǎn)生，而45°和90°方向的隔膜斷裂由主要纖維的相互分離造成，斷口的取向即為斷裂時(shí)隔膜纖維的取向。

對(duì)隔膜進(jìn)行準(zhǔn)確的有限元仿真建模，需要綜合考慮隔膜的各向異性、黏彈塑性以及斷裂等行為，本文所述的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將作為本文作者正在進(jìn)行的組分材料仿真建模的部分輸入，除此以外還需要通過(guò)應(yīng)力松弛等多種試驗(yàn)提取出更詳盡的隔膜力學(xué)表征參數(shù)。

對(duì)電池組分材料的試驗(yàn)與仿真只是建立鋰電池精細(xì)化模型的一部分工作，電極材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)性質(zhì)以及隔膜材料顯著的各向異性以及粘彈性等性質(zhì)是建立準(zhǔn)確材料模型的難點(diǎn)。此外，本課題組還在積極開(kāi)展對(duì)電池等效力學(xué)模型以及電池多物理場(chǎng)耦合等方面的研究，敬請(qǐng)關(guān)注！