动力锂电池的组分材料建模研究【钜大锂电】

车在江湖，安全第一。作为最引人注目的江湖新秀，电动汽车急需在安全这门武功上给自己加码。电池包力学仿真模型的开发对未来电动汽车的碰撞安全性开发起着关键性的用途。对锂电池的组分材料的力学行为研究，旨在为精细化的电池包模型建立基础。本文将为大家介绍本课题组在锂电池组分材料上的相关研究。

首先，拆开锂电池单体，我们将看到如下场景（中间为穿刺试验留下的穿刺孔）：

图1.软包锂离子动力锂电池组成

锂电池内部电芯由"电极-隔膜-电极"的次序组合堆叠而成，而电极通过在集电器（正极为铝箔，负极为铜箔）两侧涂覆活性涂层而获得，这些组分在电解液的浸润下即组成了完整可用的锂电池单体。

电极的金属集电器和涂层力学性能差异明显，因此在精细化建模中要分别考虑二者的贡献。单独对涂层材料进行力学试验不具备现实条件，因此对正负电极和去除涂层后的集电器进行不同加载速率下的拉伸试验。

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充电温度：0~45℃
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-40℃最大放电倍率：1C
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图2.电极材料单向拉伸试验结果

为了直观地表现涂层对电极的影响，应力计算中集电器厚度和电极厚度统一为集电器厚度。从图2可以看出，不论是应变率还是涂层的影响都集中在塑性段，涂层一定程度上增强了集电器单向拉伸下的失效载荷；电极去除涂层的过程有可能对电极片造成了损伤，降低了其失效应变，以正极材料尤为显著；正负极的各向异性都不明显。综上所述，对电极的有限元仿真建模，要考虑到电极的应变率效应以及涂层对金属集电器带来的影响。相比于电极材料的拉伸性能，涂层对电极材料力学性能的影响更多地体现在对电极材料和电池单体在压缩性能上的影响，详细信息可关注本课题组罗海灵的相关研究。

对隔膜的力学行为表征是建立精细化模型的重中之重，隔膜的破裂/失效是触发电池短路的重要原因。同样地，对隔膜材料也进行了不同方向不同应变率的加载试验，同时对隔膜表面进行了显微扫描，试验结果如图3所示，本研究使用的隔膜材料为单层陶瓷涂覆隔膜。和电极材料不同，隔膜材料在拉伸过程中表现出了显著的各向异性以及覆盖全应变区间的应变率效应。此外，不同方向的隔膜材料呈现出不同的断裂模式，其中0°方向呈现出不规则的断口，45°以及90°试件是直线型断口。

图3.隔膜拉伸试验结果和扫描试验结果

隔膜的各向异性行为以及不同的断裂形式要从隔膜的制造工艺说起。隔膜重要有干法和湿法两种制备工艺，两种工艺都离不开后期单向或者双向拉伸对薄膜进行取向处理以形成或者扩大薄膜的微孔，从而实现隔膜在电池内部"电子通道"的功能。从隔膜的显微图像可以清晰地看到内部的微孔，同时可以看出隔膜内部重要纤维（图中较粗部分）呈现一定的取向性排布，而这种取向性排布正是隔膜显著各向异性的重要原因。