大尺寸电池挤压失效机理研究

随着特斯拉电动汽车的日渐普及，使得人们对电动汽车的认知也发生了翻天覆地的变化。电动汽车逐渐成为了高端汽车的象征，众多汽车厂家开发的概念车型正逐渐朝着智能化、电动化的方向进行发展。以特斯拉为例，其搭载的无人驾驶技术，已经能够实现简单的驾驶功能，而其充满电后行驶里程已足以与汽油车相媲美。特斯拉的电池组是由数千只18650或21700电池组成，单单是电池组管理就是一项巨大的挑战，为了降低电池组管理的难度，电动汽车一般采用大容量单体电池，减少电池组内单体电池的数量，从而降低电池组的管理复杂程度，例如一些电动汽车上甚至采用单体容量50Ah，甚至是100Ah的大容量单体电池。与容量较小的18650/21700电池相比，大容量的单体电池不仅在结构上更加复杂，由于单体电池所蕴含的能量更大，大容量电池在发生热失控时电池的行为也与小电池有所区别。因此，为了完善大尺寸电池组的热管理设计，需要对大容量电池的热失控行为特点全面而深刻的认识。

对于电动汽车，安全性是需要优先考虑的因素，特别是在发生碰撞等危险情况时，需要确保驾乘人员的安全，因此需要确保电池组在受到挤压、针刺等极端情况下不发生起火和爆炸。今天，小编就和各位朋友一起探讨大尺寸电池在受到挤压时的热行为特点。

隶属美国国家能源部的橡树岭国家实验室的HsinWang等人对大尺寸的电池在挤压情况下的热失控行为特点进行了研究，试验中采用的电池厚度达到6.5mm，单体容量为25Ah，挤压测试采用了直径为1英寸（25.4mm）的不锈钢球，研究显示该电池在挤压深度达到0.25英寸时就会发生热失控，导致电池起火燃烧，拆解研究显示，隔膜变薄导致短路时引起热失控的主因。

该研究显示单个电池与三个电池叠放在一起对于压力的响应是十分不同，单个电池对于压力的载荷vs时间曲线如下图所示，在开始的10-20s呈现的是非线性响应，随后出现了一段线性响应，一旦下压停止，由于电极层的恢复，载荷也随之缓慢下降。

三只电池叠放在一起的载荷vs时间曲线如下图所示，从图上可以看出由于三只电池叠放在一起，提供了很大的缓冲，因此在开始变形量较小时，加在电池上的载荷十分小（<50磅），从Step4开始，变形量达到0.1英寸时，电池才开始产生较大的线形载荷，同时我们也从两图中注意到在相同的变形量下，三只电池叠放在一起时电池受到的载荷明显要小于单只电池受到的载荷。进一步的研究显示，当三只电池叠放在一起时，电池最大的变形量可以达到单个电池厚度的90%。

通过对挤压试验后的电池进行拆解，拆解后的隔膜图片如下图所示，从图上可以看到随着变形量的增大，隔膜逐渐变薄，同时由于隔膜在横向和纵向上的强度不同，使得压痕呈现椭圆形而不是圆形，该结果显示隔膜变薄可能是导致挤压试验中电池短路发生的主要原因。

为了研究造成挤压试验中电池短路的原因，HsinWang利用FEM软件对电池的挤压造成的热失控进行了研究。模型分别对单只电池和三只电池叠放在一起的情况进行了研究。HsinWang采用MAT-63材料模型对电极进行了模拟，挤压球采用了刚性球模型，接触点则采用了实体接触模型，摩擦系数为0.3，具体模型如下图所示。

多层电极的特性通过下式，根据正极、负极和隔膜的特性计算而得，其中E和v分别是弹性模量和体积分数。

对挤压试验中单个电池和三个电池叠放模型进行模拟的曲线如下图所示，其中左边的为单只电池，右边的为三只电池叠放在一起，从图上可以看到模拟结果与试验结果十分接近。由于三只电池叠放在一起，单只电池受到的载荷明显减小。

模型重现了在挤压试验过程中短路发生的全过程，首先在挤压的作用下，隔膜开始发生形变，当隔膜发生足够大的形变时，隔膜失效，导致正负极之间发生短路接触，导致起火。研究显示，隔膜失效的应变可达0.65，这要取决于隔膜的特性。

HsinWang的研究揭示了导致电池在挤压试验中失效的主要原因：隔膜变薄，导致正负极接触。因此预防挤压导致的短路重要方向是提高隔膜的性能，在较大的形变下不失效。

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Progressivemechanicalindentationoflarge-formatLi-ioncells,JournalofPowerSource,341(2017),HsinWang,et.al

文/凭栏眺