圆柱形锂电池受侧向冲击的结构分析和试验研究



圆柱形锂电池受侧向冲击的结构分析和试验研究

任何能量存储系统（包括电池）设计的关键是对其安全性的设计，因而为提高锂离子电池在汽车上的应用，需要对其在极端负荷条件下的力学特性（如机械冲击特性）进行研究。目前，对锂电池冲击特性的研究主要集中于对平面属性的研究，且没有考虑电池内部未粘合的阳极、阴极及其之间隔膜的滑移。以汽车常用的圆柱形锂离子电池为例，研究电池受冲击尤其是侧向冲击的机械响应。

首先建立圆柱形锂电池内部活性材料的均质模型。以江森自控制造的6P圆柱形锂离子电池为试验对象。该圆柱形电池由4个主要机械部件组成：内部活性材料、空心铝管、铝外壳和聚醚酰亚胺纤维隔板。由于内部活性材料由多层（阳极、阴极和隔膜）不同物质构成，因而其是非线性的，文中将内部活性材料假设为各项同性材料。为了建立内部活性材料的均质模型，对其进行非沿轴向的直接冲击试验，并利用商业化软件对内部活性材料进行均质化模拟。直接冲击试验主要进行了横向冲击试验，这是由于汽车上圆柱形锂电池多为垂直放置。汽车发生碰撞时，电池受横向冲击的影响较大。试验所用锂电池为干电池，因其内部没有电解质溶液，因而排除了爆炸和点燃的可能性。试验使用一个2.8m的跌落试验装置，使用落锤引导锂电池下落路径并增加冲击，采用的两个落锤质量分别为11.34kg和22.68kg，并利用高速拍摄相机记录跌路过程。锂电池跌落过程中，会出现保护装置失效和严重变形引起的外部电路短路等情况。分析锂电池内部活性材料的形变，给出应力应变关系，建立活性材料的均质模型。将获得的应力应变曲线纳入到建立的锂电池显式有限元模型中，模拟冲击试验。试验和模拟结果表明，给出的均质模型可以精确描述电池内部活性材料的机械特性。文中只针对单个锂电池进行了分析，可利用有限元软件对整个电池组的侧向冲击响应进行分析，以改善电池安全性的设计。

刊名：Journal of Power Sources（英）

刊期：2014年第271期

作者：Ilya Avdeev

编译：陈丁跃