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摘 要 隨著新能源汽車行業(yè)的快速發(fā)展，動(dòng)力鋰離子電池作為新能源汽車的核心部件之一，其安全性受到廣泛關(guān)注，研究沖擊荷載下動(dòng)力鋰離子電池的力學(xué)響應(yīng)特性和熱失控特性是有效防控新能源汽車發(fā)生碰撞導(dǎo)致火災(zāi)事故的關(guān)鍵。本工作選取21700圓柱型動(dòng)力鋰離子電池作為研究對(duì)象，通過(guò)自行搭建的電池撞擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究電池在平面撞擊和圓柱面撞擊下的安全性能，并記錄鋰離子電池的溫度、電壓和沖擊荷載等表征數(shù)據(jù)，分析撞擊高度、電池SOC對(duì)鋰離子電池力學(xué)響應(yīng)特性及熱失控行為特征的影響。結(jié)果表明，隨著電池SOC的增長(zhǎng)，電池的抗沖擊能力得到了提升；對(duì)于平面撞擊實(shí)驗(yàn)，可認(rèn)為電池的極限應(yīng)變?yōu)?0.206，極限沖擊應(yīng)力為13.49 MPa，對(duì)于圓柱面撞擊實(shí)驗(yàn)，可認(rèn)為電池的極限應(yīng)變?yōu)?0.253，極限沖擊應(yīng)力為33.58 MPa；電池?zé)崾Э氐膭×页潭扰c落錘形狀、撞擊高度及電池自身荷電狀態(tài)明顯相關(guān)，圓柱面撞擊對(duì)電池造成的破壞性更強(qiáng)，隨著撞擊高度和電池SOC的增加，電池?zé)崾Э胤磻?yīng)越劇烈，本研究為電池的安全性設(shè)計(jì)和新能源汽車火災(zāi)防控提供有效的數(shù)據(jù)支撐。
關(guān)鍵詞 鋰離子電池；熱失控；電池撞擊；響應(yīng)特性
目前以化石燃料為基礎(chǔ)的能源經(jīng)濟(jì)正面臨著嚴(yán)峻的問(wèn)題，作為不可再生能源，它們需要在極端條件下經(jīng)歷數(shù)百萬(wàn)年的時(shí)間才能形成，而且化石燃料的燃燒排放被認(rèn)為是導(dǎo)致全球氣候變暖、酸雨和臭氧層破壞等環(huán)境氣候問(wèn)題的罪魁禍?zhǔn)住ｋS著全球各國(guó)“碳達(dá)峰”戰(zhàn)略的提出，新能源汽車市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，推動(dòng)動(dòng)力鋰電池需求高速增長(zhǎng)，各企業(yè)紛紛部署動(dòng)力鋰電池產(chǎn)線。
相較于磷酸鐵鋰電池，三元鋰電池能量密度高、續(xù)航里程長(zhǎng)、工作電壓高，但其正極材料的熱穩(wěn)定性較差，易與電解液反應(yīng)釋放出大量熱導(dǎo)致電池發(fā)生自燃。隨著新能源汽車的普及，動(dòng)力電池燃爆事故層出不窮，根據(jù)應(yīng)急管理部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2021年新能源汽車火災(zāi)共發(fā)生3000余起，2022年第一季度國(guó)內(nèi)共接報(bào)新能源汽車火災(zāi)640起，同比上升32%，高于交通工具火災(zāi)的平均增幅，2023年第一季度，新能源汽車自燃率上漲了32%，平均每天就有8輛新能源車發(fā)生火災(zāi)。
電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池是集電化學(xué)、熱和機(jī)械等多物理場(chǎng)變量于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，汽車可能會(huì)面臨各種情況的碰撞，這會(huì)導(dǎo)致電池受到不同形式的沖擊荷載作用而發(fā)生形變和失效。Meier等通過(guò)對(duì)鋰離子電池的力學(xué)濫用實(shí)驗(yàn)得出，當(dāng)電池發(fā)生較大形變時(shí)，會(huì)損壞電池內(nèi)芯的隔膜，引起電池正負(fù)極直接接觸而發(fā)生內(nèi)部短路，最終導(dǎo)致電池?zé)崾Э?。范文杰等?duì)鋰離子電池進(jìn)行了靜態(tài)擠壓、針刺和動(dòng)態(tài)碰撞等力學(xué)濫用實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明，加載速度、加載荷載以及電池的應(yīng)變、荷電狀態(tài)是影響電池失效的關(guān)鍵因素。湯元會(huì)等以自主搭建的針刺實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)，對(duì)18650圓柱型鋰電池開展針刺實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明鋰離子電池?zé)崾Э貏×页潭扰c荷電狀態(tài)、針刺深度呈正相關(guān)。Zhang等研究發(fā)現(xiàn)，受力面積對(duì)荷載作用效果也有影響，當(dāng)擠壓鋼球直徑從1英寸(1英寸=0.0254 m)減小到1/8英寸時(shí)，電池單體可承受的最大沖力降低至原來(lái)的28%。許駿等對(duì)18650圓柱型鋰離子電池分別進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)的徑向壓縮、三點(diǎn)彎曲和壓痕試驗(yàn)，提出了一種統(tǒng)一強(qiáng)度理論作為電池失效的評(píng)判準(zhǔn)則。通過(guò)對(duì)不同荷電狀態(tài)的鋰離子電池進(jìn)行擠壓試驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)電池的荷電狀態(tài)對(duì)電池的力學(xué)響應(yīng)特性具有顯著的影響，當(dāng)電池的SOC越高，電池的剛度就越大，電池發(fā)生失效時(shí)的應(yīng)變就越小。
目前對(duì)于電池單體的機(jī)械荷載濫用實(shí)驗(yàn)方面，局限于低速正面擠壓或碰撞，與電動(dòng)汽車實(shí)際發(fā)生的高速撞擊差別較大，且主要研究對(duì)象為容量較小的18650型鋰離子電池。因此，本工作通過(guò)自行搭建的電池撞擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)21700圓柱型鋰離子電池單體進(jìn)行兩種形式的撞擊實(shí)驗(yàn)，分析電池失效與電池發(fā)生的應(yīng)變、受到的沖擊應(yīng)力之間的關(guān)系，提出了電池安全性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并分析電池?zé)崾Э匦袨樘卣骱陀绊懸蛩?，為電池撞擊安全防護(hù)提出有效措施和建議。
1 實(shí)驗(yàn)方法
1.1 電池樣品
實(shí)驗(yàn)選用松下公司的21700圓柱型鋰離子電池作為研究對(duì)象，外觀如圖1所示，電池的容量為4800 mAh，內(nèi)阻為12 mΩ，質(zhì)量為69 g，平均電壓3.7 V，最大放電電流為15 A。電池的正極材料為鎳鈷鋁酸鋰(NCA)，其中鎳、鈷、鋁的比例為90∶5∶5，電池的負(fù)極材料為石墨，電池電解液中的有機(jī)溶劑主要為碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲乙酯(EMC)，鋰鹽主要為L(zhǎng)iPF6，電池隔膜為10 μm的濕法單層PE膜。
圖1 21700鋰離子電池外觀
圓柱型電芯采用卷繞工藝裝配，外殼一般為鋁制、不銹鋼制，用于承受外部機(jī)械載荷，維持電化學(xué)運(yùn)行環(huán)境的完整性，其力學(xué)性能受較多因素的影響，電池組分材料的具體特性如表1所示。
表1 圓柱型電池組分材料力學(xué)性能
1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
本工作搭建了一套落錘撞擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)主要由撞擊裝置、數(shù)據(jù)采集裝置和安全保護(hù)裝置三部分組成，總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2(a)所示。
圖2 落錘撞擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖：(a) 二維平面模型；(b) 3D模型
撞擊裝置主要由撞擊錘頭、支撐桿、支撐底座和固定夾板組成，結(jié)構(gòu)模型如圖2(b)所示。撞擊錘頭總質(zhì)量為5 kg，錘頭的上半部分由半徑為10 mm，高為70 mm的半圓柱和70 mm×20 mm×20 mm的長(zhǎng)方體組成，可以針對(duì)圓柱型電池的特定部位進(jìn)行圓柱面撞擊；錘頭的下半部分是一個(gè)140 mm×80 mm×50 mm的長(zhǎng)方體，其底面光滑且堅(jiān)硬，可以進(jìn)行平面撞擊實(shí)驗(yàn)。
數(shù)據(jù)采集裝置由無(wú)紙記錄儀、高速攝像機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡組成。實(shí)驗(yàn)選用MK1000無(wú)紙記錄儀，分別記錄電池正極端、中部和負(fù)極端的溫度變化情況，如圖3所示，通過(guò)紅黑導(dǎo)線分別連接電池的正負(fù)極兩端，同時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄電池電壓數(shù)據(jù)。選用的高速攝像機(jī)型號(hào)為OSG030-815UMTZ，幀率815 FPS，可記錄電池的瞬時(shí)響應(yīng)特性。采用Measurement Computing USB-1608G series 多通路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集并記錄電池撞擊過(guò)程中的沖擊載荷，搭配的沖擊力傳感器測(cè)量量程為0～60 kN，最大采集頻率100 kHz。
圖3 熱電偶布置及電壓監(jiān)測(cè)示意圖
1.3 不同撞擊工況
為分析撞擊形式與電池失效之間的關(guān)系，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)置了兩種電池撞擊形式，分別為平面撞擊和圓柱面撞擊，圓柱面撞擊選取電池中部位置，具體形式如圖4所示，兩種撞擊形式可以歸納為整體撞擊和局部撞擊，并設(shè)置了6個(gè)不同的落錘高度，分別為35 cm、70 cm、105 cm、140 cm、175 cm和200 cm。同時(shí)，將電池根據(jù)SOC的大小分為5組，分別為0%SOC、25%SOC、50%SOC、75%SOC和100%SOC。
圖4 不同的電池撞擊形式：(a) 平面撞擊；(b) 圓柱面撞擊
1.4 應(yīng)力應(yīng)變測(cè)定
電池在機(jī)械荷載下的應(yīng)力與應(yīng)變是反映電池力學(xué)響應(yīng)的重要指標(biāo)，電池的變形程度不僅與沖擊力的大小有關(guān)，還與力的作用面積相關(guān)，電池的名義應(yīng)變圖片可以表示為：
圖5 電池撞擊形變量的測(cè)定：(a) 平面撞擊；(b) 圓柱面撞擊
在電池的撞擊實(shí)驗(yàn)中，電池單體受到的名義應(yīng)力圖片可以表達(dá)為：
圖6 電池撞擊受力面積：(a) 平面撞擊；(b) 圓柱面撞擊
2 結(jié)果與討論
2.1 平面撞擊下鋰電池響應(yīng)特性
2.1.1 不同撞擊高度電池響應(yīng)特性分析
在平面撞擊形式下，分別進(jìn)行不同下落高度的撞擊實(shí)驗(yàn)，不同SOC的圓柱型鋰離子電池單體在擠壓荷載下均表現(xiàn)出類似0%SOC電池單體的力學(xué)響應(yīng)特性，因此，在本次撞擊實(shí)驗(yàn)中，選擇0%SOC的鋰離子電池單體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具體結(jié)果如表2所示。
表2 0%SOC電池平面撞擊實(shí)驗(yàn)
從表2中可以看到，隨著錘頭下落高度的增加，電池的形變量總體呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。在下落高度不超過(guò)140 cm時(shí)，電池質(zhì)量和電壓僅有輕微的上下波動(dòng)，溫度也保持不變。當(dāng)下落高度達(dá)到175 cm及以上時(shí)，電池出現(xiàn)了不同幅度的溫升和電壓變化，表明電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞并發(fā)生短路。最大溫升和電壓變化也隨著下落高度升高而增大，因?yàn)殡S著高度增加，落錘撞擊速度越快，根據(jù)動(dòng)量守恒，電池受到的沖擊力越大，隔膜破壞造成短路時(shí)釋放的能量越多。
2.1.2 不同SOC電池響應(yīng)特性分析
為比較不同SOC的電池單體在沖擊荷載下的力學(xué)響應(yīng)特性，實(shí)驗(yàn)在每一個(gè)撞擊高度下，分別對(duì)25%SOC、50%SOC、75%SOC和100%SOC的電池單體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果數(shù)據(jù)如表3所示。
表3 不同SOC電池平面撞擊實(shí)驗(yàn)
可以看出，表3中鋰離子電池的形變量在不同工況下均略小于0%SOC電池的形變量，這表明與不帶電的電池相比，帶有電量的電池抗沖擊能力得到了一定的提升，因?yàn)樵陔姵爻潆娺^(guò)程中，電池正極上生成的鋰離子經(jīng)過(guò)電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極，由于電池負(fù)極的石墨呈層狀結(jié)構(gòu)，具有很多微小的細(xì)孔，隨著嵌入細(xì)孔的鋰離子越多，負(fù)極材料石墨的楊氏模量也逐漸增大，同時(shí)電池正極處的活性材料失去鋰離子，楊氏模量也會(huì)增加。因此隨著電池SOC的提升，電池正負(fù)極端的材料楊氏模量逐漸增大，電池整體的抗變形能力也得到提高。
在落錘高度為175 cm時(shí)，除0%SOC，其余SOC的實(shí)驗(yàn)電池均沒有失效，當(dāng)錘頭下落高度為200 cm時(shí)，所有實(shí)驗(yàn)電池均破壞失效，但是不同SOC電池的失效程度有較大差異，表現(xiàn)為高電量電池失效時(shí)的電壓降幅和溫升也較大。其中，25%SOC電池的最大溫升僅有59.20 ℃，而100%SOC電池的最大溫升達(dá)到了238.80 ℃，發(fā)生了較為劇烈的熱失控。
2.1.3 電池安全評(píng)價(jià)指標(biāo)
為了比較各種電池之間的安全性，需要使用電池安全性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，目前主要有兩種評(píng)價(jià)方式，一種是基于應(yīng)變的失效準(zhǔn)則，另一種則是基于應(yīng)力的失效準(zhǔn)則。該失效準(zhǔn)則的基本原理是求出材料的極限應(yīng)變或者極限應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)變或者應(yīng)力達(dá)到這個(gè)值時(shí)，電芯就會(huì)失效。為研究不同SOC電池單體在不同撞擊高度下的應(yīng)變應(yīng)力變化情況，繪制了如圖7所示的變化曲線圖。
圖7 不同SOC電池平面撞擊的應(yīng)變應(yīng)力變化
從圖中可以看出，每條應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)相似，其絕對(duì)值隨著撞擊高度的升高而增加，且隨著電池電量的增加，電池應(yīng)變曲線波動(dòng)較小。在同一下落高度0%SOC電池的應(yīng)變變化基本都大于其他SOC電池的應(yīng)變。當(dāng)錘頭下落高度為175 cm時(shí)，只有0%SOC的電池失效，當(dāng)下落高度達(dá)到200 cm時(shí)，不同SOC電池均發(fā)生了破壞失效，因此，在平面錘頭撞擊實(shí)驗(yàn)中，可認(rèn)為電池的極限應(yīng)變?yōu)?0.206。在同一下落高度下，帶有一定電量的電池受到的沖擊應(yīng)力普遍大于0%SOC電池受到的沖擊應(yīng)力。當(dāng)撞擊高度達(dá)到175 cm時(shí)，僅有0%SOC電池失效且承受的沖擊應(yīng)力最小，為13.49 MPa。因此，在平面錘頭撞擊實(shí)驗(yàn)中，可認(rèn)為電池的極限沖擊應(yīng)力為13.49 MPa。
2.1.4 電池?zé)崾Э靥匦苑治?
沖擊應(yīng)力應(yīng)變極限決定了熱失控發(fā)生的概率大小以及對(duì)濫用條件的耐受程度，而電池的放熱量則決定了可能導(dǎo)致事故的嚴(yán)重程度。在三元鋰離子電池中，熱失控主要來(lái)源于電極與電解液的副反應(yīng)。在本工作的平面撞擊實(shí)驗(yàn)中，電池的SOC越高，發(fā)生熱失控時(shí)的最大溫升也越大，原因是電池SOC越高，其負(fù)極嵌入的鋰離子也越多，當(dāng)電池結(jié)構(gòu)遭到破壞時(shí)，其與電解液和氧氣發(fā)生的放熱反應(yīng)愈加劇烈，就會(huì)釋放出更多的熱量。在本組撞擊高度為200 cm的實(shí)驗(yàn)中，不同SOC電池?zé)崾Э氐臏囟扰c電壓變化情況如圖8所示。
圖8 平面撞擊下不同SOC電池?zé)崾Э剡^(guò)程溫度和電壓變化：(a) 25%SOC；(b) 50%SOC；(c) 75%SOC；(d) 100%SOC
從圖中可以發(fā)現(xiàn)電池的電壓在某一時(shí)刻驟降，此時(shí)電池隔膜遭到破壞并發(fā)生內(nèi)短路，電池內(nèi)部發(fā)生了更為劇烈的熱失控反應(yīng)，瞬間釋放出大量熱能，因此在電壓驟降后，電池的表面溫度也隨即上升，此現(xiàn)象在高SOC電池中更為明顯，以100%SOC電池為例，電池正極端的表面溫度在20 s內(nèi)升到了218 ℃，在高溫處維持了4 s后才開始緩慢下降。電池中部的溫度在碰撞后27 s內(nèi)升至264 ℃，持續(xù)2 s后開始逐漸下降。電池負(fù)極端表面的溫度在碰撞后13 s內(nèi)劇增至216 ℃，然后突然降到210 ℃，持續(xù)了9 s后開始逐漸下降?？傮w來(lái)看，電池正極端與負(fù)極端的表面溫升情況十分接近，而電池中部表面的溫升較高。用高速攝像機(jī)記錄下了電池發(fā)生熱失控的全過(guò)程，如圖9所示。當(dāng)錘頭撞擊到電池0.22 s后，電池的正極處便開始噴出火花，并在0.6 s后突然增大，此時(shí)電池內(nèi)部反應(yīng)劇烈，正極處的射流火焰速度達(dá)到最大，持續(xù)了3.84 s后逐漸減弱。直到5.45 s后，電池不再噴射出火花，只有部分火苗在繼續(xù)燃燒，一段時(shí)間后火苗熄滅了又再次復(fù)燃，直到10.45 s時(shí)火焰完全熄滅。
圖9 平面撞擊下電池?zé)崾Э剡^(guò)程
2.2 圓柱面撞擊下鋰電池響應(yīng)特性
2.2.1 不同撞擊高度電池響應(yīng)特性分析
通過(guò)落錘撞擊平臺(tái)，選用0%SOC的鋰離子電池作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別在不同的下落高度對(duì)電池中部位置進(jìn)行圓柱面撞擊，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表4所示。
表4 0%SOC電池圓柱面撞擊實(shí)驗(yàn)
從表中的電壓變化和最大溫升可以看出，當(dāng)錘頭下落高度達(dá)到175 cm時(shí)，電池發(fā)生失效，最大溫升為62.80 ℃。相比平面撞擊，圓柱面撞擊的接觸面積更小，同樣的撞擊高度下，沖擊應(yīng)力更大，電池形變量也更大，表現(xiàn)為電池中部凹陷嚴(yán)重。
2.2.2 不同SOC電池響應(yīng)特性分析
為分析荷電狀態(tài)對(duì)電池圓柱面撞擊實(shí)驗(yàn)的影響，在不同下落高度下分別對(duì)25%SOC、50%SOC、75%SOC和100%SOC的圓柱型鋰離子電池進(jìn)行圓柱面撞擊實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。可以看出，當(dāng)錘頭下落高度達(dá)到140 cm時(shí)，所有SOC的實(shí)驗(yàn)電池都被嚴(yán)重破壞，且發(fā)生劇烈的熱失控反應(yīng)，表現(xiàn)為從電池正極不斷噴射出火花，并伴隨著濃厚的白煙，最高溫升達(dá)到了722.1 ℃。在同一下落高度下，隨著電池SOC的提升，電池發(fā)生的形變量有逐漸減小的趨勢(shì)，沖擊應(yīng)力逐漸增大，這說(shuō)明了電池的抗局部沖擊形變能力也在逐步提升。
表5 不同SOC電池圓柱面撞擊實(shí)驗(yàn)
鋰離子電池內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，化學(xué)組成多樣，不同的撞擊形式對(duì)電池內(nèi)部短路的影響不同，所引起的化學(xué)反應(yīng)劇烈程度和溫升幅度也會(huì)有所差異。相較于平面撞擊，圓柱面撞擊荷載會(huì)造成電池局部應(yīng)力集中，更容易引起內(nèi)短路，結(jié)構(gòu)破壞程度和熱失控反應(yīng)劇烈程度更大，溫度上升幅度高。而且在更小的沖擊荷載和撞擊高度下就能使電池失效，應(yīng)變應(yīng)力均大于平面撞擊，說(shuō)明圓柱面撞擊對(duì)電池造成的破壞更強(qiáng)。
2.2.3 電池安全評(píng)價(jià)指標(biāo)
圖10為圓柱面撞擊下電池應(yīng)變應(yīng)力變化曲線，可以明顯地看出，隨著電池SOC的增長(zhǎng)，電池應(yīng)變絕對(duì)值呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。當(dāng)撞擊高度達(dá)到140 cm時(shí)，雖然0%SOC電池的應(yīng)變最大，但此時(shí)荷電狀態(tài)的影響大于電池形變量，因此除0%SOC的電池外，其余SOC的電池均失效發(fā)生熱失控，為了保證電池的安全性，對(duì)于圓柱面撞擊實(shí)驗(yàn)，可認(rèn)為電池的極限應(yīng)變?yōu)?0.253。
圖10 不同SOC電池圓柱面撞擊的應(yīng)變應(yīng)力變化
在同一高度下，隨著SOC的提升，電池所受沖擊應(yīng)力有逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)。當(dāng)撞擊高度達(dá)到140 cm時(shí)，50%SOC電池發(fā)生熱失控時(shí)承受的沖擊應(yīng)力最小，為33.58 MPa。因此，對(duì)于圓柱面撞擊實(shí)驗(yàn)，可認(rèn)為電池的極限沖擊應(yīng)力為33.58 MPa。
2.2.4 電池?zé)崾Э靥匦苑治?
從前文的撞擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，圓柱面撞擊會(huì)導(dǎo)致電池發(fā)生劇烈的熱失控反應(yīng)，使電池表面產(chǎn)生極高的溫度，電池的SOC越高，發(fā)生熱失控時(shí)的溫升幅度也越大，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將140 cm撞擊高度下，不同SOC電池的電壓以及表面溫度記錄如圖11所示。電池電壓驟降后，電池表面溫度急劇上升，其中100%SOC電池?zé)崾Э卦斐傻碾姵乇砻鏈厣茸畲螅瑥膱D11(d)可以看出，在錘頭撞擊電池2 s后，電池正極端表面、中部表面和負(fù)極端表面同時(shí)開始升溫，其中電池負(fù)極端表面升溫最快，溫度在34 s內(nèi)上升至735.4 ℃，其次是電池正極端表面，在29 s內(nèi)溫度升至了540.5 ℃，最后是電池中部，其表面溫度在10 s內(nèi)上升至268.2 ℃。
圖11 圓柱面撞擊下不同SOC電池?zé)崾Э剡^(guò)程溫度和電壓變化：(a) 25%SOC；(b) 50%SOC；(c) 75%SOC；(d) 100%SOC
在錘頭撞擊到電池中部的0.04 s后，電池便從正極處噴出火花，在0.32 s后火焰射流速度開始增強(qiáng)，并在0.92 s達(dá)到峰值，一直持續(xù)到2.52 s時(shí)才開始減緩。在4.92 s時(shí)刻，電池停止噴出火花，但電池內(nèi)部的火焰依舊在燃燒，直至47.96 s時(shí)火焰才完全熄滅，如圖12所示。
圖12 圓柱面撞擊下電池?zé)崾Э剡^(guò)程
2.3 電池撞擊安全防護(hù)措施與建議
基于平面和圓柱面撞擊下鋰電池的力學(xué)響應(yīng)及熱失控特性分析結(jié)果，從電池本征安全和電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)兩方面為電池的安全性設(shè)計(jì)和火災(zāi)防控提供建議措施。
鋰電池在撞擊下發(fā)生熱失控的原因在于隔膜破裂或者遇熱收縮，導(dǎo)致電池正負(fù)極接觸發(fā)生內(nèi)短路，因此，改進(jìn)隔膜材料對(duì)于提升電池的安全性至關(guān)重要。隔膜材料不僅要具有合適的孔隙率以保證電池的能量密度，同時(shí)也應(yīng)具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。多層復(fù)合與陶瓷涂覆工藝在一定程度上提高了隔膜的性能，其中雙面陶瓷隔膜有較強(qiáng)的抗形變能力，且高溫下不易收縮，是改善電池撞擊性能的優(yōu)選材料。
在新能源汽車上，動(dòng)力電池一般以模組形式存在，對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高結(jié)構(gòu)剛性，可以減小外部撞擊對(duì)系統(tǒng)內(nèi)電池的沖擊荷載。同時(shí)電池系統(tǒng)應(yīng)盡量減少凸出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因?yàn)槠矫孀矒舻氖芰γ娣e大，電池所能承受的沖擊荷載更強(qiáng)。此外，電池單體發(fā)生熱失控導(dǎo)致系統(tǒng)溫度過(guò)高，容易引發(fā)整個(gè)電池模組的熱失控蔓延，采用相應(yīng)的熱管理技術(shù)，例如風(fēng)冷、液冷管道及相變冷卻技術(shù)等，降低系統(tǒng)發(fā)生熱聚集的概率，并設(shè)計(jì)滅火管道，當(dāng)有電池發(fā)生燃燒時(shí)，滅火管道噴出滅火劑，從而防止火災(zāi)進(jìn)一步蔓延。
3 結(jié)論與展望
通過(guò)對(duì)21700圓柱型鋰離子電池單體進(jìn)行了多種工況的撞擊實(shí)驗(yàn)，對(duì)鋰離子電池的響應(yīng)特性及熱失控現(xiàn)象進(jìn)行分析，主要結(jié)論可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)：
（1）帶有一定電量的鋰電池抗沖擊能力得到了提升，隨著電池SOC的增長(zhǎng)，電池在同一沖擊荷載下的形變量有逐漸下降的趨勢(shì)，而電池受到的沖擊應(yīng)力趨勢(shì)變化則相反。
（2）圓柱型鋰離子電池是否失效與電池的形變量大小及電池受到的沖擊應(yīng)力有著較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，當(dāng)應(yīng)變和沖擊應(yīng)力大于某個(gè)值時(shí)，電池就會(huì)發(fā)生失效，因此可用極限應(yīng)變和沖擊應(yīng)力作為電池的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)于平面撞擊實(shí)驗(yàn)，可認(rèn)為電池的極限應(yīng)變?yōu)?0.206，極限沖擊應(yīng)力為13.49 MPa，對(duì)于圓柱面撞擊實(shí)驗(yàn)，可認(rèn)為電池的極限應(yīng)變?yōu)?0.253，極限沖擊應(yīng)力為33.58 MPa。
（3）電池?zé)崾Э氐膭×页潭扰c落錘形狀、撞擊高度及電池自身荷電狀態(tài)明顯相關(guān)，圓柱面撞擊對(duì)電池造成的破壞性更強(qiáng)；隨著撞擊高度和電池電量的增加，電池?zé)崾Э胤磻?yīng)越劇烈。平面撞擊中當(dāng)電池發(fā)生熱失控時(shí)，中部表面的溫度較高，最大值達(dá)到了264 ℃；圓柱面撞擊中當(dāng)電池發(fā)生熱失控時(shí)，負(fù)極端表面的溫度較高，最大值達(dá)到了735.4 ℃。
根據(jù)分析結(jié)果，從改進(jìn)隔膜材料、優(yōu)化電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、采用熱管理及滅火技術(shù)等方面為電池的安全性設(shè)計(jì)和火災(zāi)防控提供有效建議措施。今后還將研究不同SOC動(dòng)力鋰離子電池受到?jīng)_擊荷載的差異，以及補(bǔ)充開展電池正負(fù)極位置的撞擊實(shí)驗(yàn)研究。
