锂离子动力电池机械滥用工况下的安全问题

本文的背景是高速增长的电动车市场以及伴随而来的电池安全问题。随着电动车的保有量不断增加，当电动车事故的数量与传统燃油车的事故数量相当时，电动车电池的碰撞安全问题将会更为凸显。在汽车碰撞事故中，电池包有可能受到挤压而严重变形，也有可能在无明显变形的情况下发生冲击过载，从而有一定的热失控风险。这方面比较著名的一个案例就是2014年发生的Tesla Model S在高速行驶中发生地面物体撞击而导致的事故，其电池包严重变形并发生热失控着火。在可预计的将来，电动车所搭载的电池容量将继续增加，潜在风险更大，动力电池的碰撞安全性问题已成为急需解决的问题。

相比于针对电池在热和电滥用工况下的安全问题的研究，机械滥用工况下电池安全问题的研究相对较少。本文对目前有关电池单体、电池模块以及电池包在机械载荷下变形与失效的研究进行了梳理。从研究尺度上看，电池碰撞安全研究包括了电池组份材料、电池单体、电池模组与防护结构以及电池包等各个层次，如下图所示。电池碰撞安全研究的的主要目标有：（1）理解机械载荷下电池单体的变形与失效特征以及与内短路触发的关联性，最终建立单体、模块或电池包的损伤判据和损伤容限；（2）建立兼顾计算精度与计算效率的有限元仿真模型，指导电池包防护结构设计。

组分材料尺度研究。正极、隔膜和负极组成的层叠结构是不同形式电池的基本组成单元。其中正负极由金属集流体和涂敷在表面的涂层组成。电池单体组份材料的力学性质，包括金属集流体、正负极涂层和隔膜的力学性质以及涂层与集流体之间的界面性质，直接决定了电池单体的力学行为。与传统金属材料类似，金属集流体的力学行为表征包括其塑性、韧性断裂以及各向异性和率相关性，而主要困难在于试验数据的获取。这是由于电池中使用的金属集流体厚度较薄（10-25um），给试件的制备、夹持、加载以及测量都带来一定困难。隔膜主要起到隔离正负极的作用，因此其力学行为特别是断裂行为也直接影响了电池的内短路发生。隔膜通常为高分子材料（PE、PP），其力学行为的表征较为复杂，包括弹性、塑性、断裂以及材料方向、温度和时间相关性等因素的影响。有关涂层材料以及涂层与集流体的界面性质的研究目前相对较少。

电池单体尺度研究。电池单体是电池包的最小组成单元，在实验方面，为研究单体的机械失效模式及其与内短路发生的关联性，并且考虑到实际碰撞事故中，电池单体受到的加载工况较为复杂，需要进行不同形式加载工况的实验。下图列举了电池单体典型的加载工况，包括面内方向挤压、面外方向挤压（球形加载头、圆柱面加载头）和三点弯等。除了加载形式，还需要考虑单体带电量以及加载速度的影响。

电池模块尺度。与电池单体类似，电池模块也需要考虑不同加载形式、带电量和加载速度下的机械失效和热失控现象。但电池模块通常由成组的单体和其他附件组成，组成结构较多，且整体能量较高，因此增加了实验和仿真的成本。目前文献中公开发表的电池模块试验和仿真内容较少，下图展示了清华大学周青教授团队发表的实验结果，可以看出不同冲击方向下电池模块的机械破坏与热失控现象有较大差别。

更全面的有关锂离子动力电池机械滥用工况下安全问题的研究现状，可参考最近发表的综述文章”A review of safety-focused mechanical modeling of commercial lithium-ion batteries”。论文中更为详细的总结了近10年来的相关研究工作。