中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：車在江湖，安全第一。作為最引人注目的江湖新秀，電動(dòng)汽車急需在安全這門武功上給自己加碼。電池包力學(xué)仿真模型的開發(fā)對(duì)未來電動(dòng)車的碰撞安全性開發(fā)起著關(guān)鍵性的作用。對(duì)鋰電池的組分材料的力學(xué)行為研究，旨在為精細(xì)化的電池包模型建立基礎(chǔ)。本文將為大家介紹本課題組在鋰電池組分材料上的相關(guān)研究。
首先，拆開鋰電池單體，我們將看到如下場景（中間為穿刺試驗(yàn)留下的穿刺孔）：
圖1. 軟包鋰離子動(dòng)力電池組成
鋰電池內(nèi)部電芯由“電極-隔膜-電極”的次序組合堆疊而成，而電極通過在集電器（正極為鋁箔，負(fù)極為銅箔）兩側(cè)涂覆活性涂層而獲得，這些組分在電解液的浸潤下即組成了完整可用的鋰離子電池單體。
電極的金屬集電器與涂層力學(xué)性能差異明顯，因此在精細(xì)化建模中需要分別考慮二者的貢獻(xiàn)。單獨(dú)對(duì)涂層材料進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)不具備現(xiàn)實(shí)條件，因此對(duì)正負(fù)電極和去除涂層后的集電器進(jìn)行不同加載速率下的拉伸試驗(yàn)。
圖2. 電極材料單向拉伸試驗(yàn)結(jié)果
為了直觀地表現(xiàn)涂層對(duì)電極的影響，應(yīng)力計(jì)算中集電器厚度與電極厚度統(tǒng)一為集電器厚度。從圖2可以看出，不論是應(yīng)變率還是涂層的影響都集中在塑性段，涂層一定程度上增強(qiáng)了集電器單向拉伸下的失效載荷；電極去除涂層的過程有可能對(duì)電極片造成了損傷，降低了其失效應(yīng)變，以正極材料尤為顯著；正負(fù)極的各向異性都不明顯。綜上所述，對(duì)電極的有限元仿真建模，需要考慮到電極的應(yīng)變率效應(yīng)以及涂層對(duì)金屬集電器帶來的影響。相比于電極材料的拉伸性能，涂層對(duì)電極材料力學(xué)性能的影響更多地體現(xiàn)在對(duì)電極材料和電池單體在壓縮性能上的影響，詳細(xì)信息可關(guān)注本課題組羅海靈的相關(guān)研究。
對(duì)隔膜的力學(xué)行為表征是建立精細(xì)化模型的重中之重，隔膜的破裂/失效是觸發(fā)電池短路的重要原因。同樣地，對(duì)隔膜材料也進(jìn)行了不同方向不同應(yīng)變率的加載試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)隔膜表面進(jìn)行了顯微掃描，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，本研究使用的隔膜材料為單層陶瓷涂覆隔膜。與電極材料不同，隔膜材料在拉伸過程中表現(xiàn)出了顯著的各向異性以及覆蓋全應(yīng)變區(qū)間的應(yīng)變率效應(yīng)。此外，不同方向的隔膜材料呈現(xiàn)出不同的斷裂模式，其中0°方向呈現(xiàn)出不規(guī)則的斷口，45°以及90°試件是直線型斷口。
圖3. 隔膜拉伸試驗(yàn)結(jié)果與掃描試驗(yàn)結(jié)果
隔膜的各向異性行為以及不同的斷裂形式需要從隔膜的制造工藝說起。隔膜主要有干法和濕法兩種制備工藝，兩種工藝都離不開后期單向或者雙向拉伸對(duì)薄膜進(jìn)行取向處理以形成或者擴(kuò)大薄膜的微孔，從而實(shí)現(xiàn)隔膜在電池內(nèi)部”電子通道“的功能。從隔膜的顯微圖像可以清晰地看到內(nèi)部的微孔，同時(shí)可以看出隔膜內(nèi)部主要纖維（圖中較粗部分）呈現(xiàn)一定的取向性排布，而這種取向性排布正是隔膜顯著各向異性的主要原因。
至此，不同方向隔膜斷口形式的不同也得到了解釋，在0°方向的隔膜斷裂有內(nèi)部主要纖維的斷裂產(chǎn)生，而45°和90°方向的隔膜斷裂由主要纖維的相互分離造成，斷口的取向即為斷裂時(shí)隔膜纖維的取向。
對(duì)隔膜進(jìn)行準(zhǔn)確的有限元仿真建模，需要綜合考慮隔膜的各向異性、黏彈塑性以及斷裂等行為，本文所述的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將作為本文作者正在進(jìn)行的組分材料仿真建模的部分輸入，除此以外還需要通過應(yīng)力松弛等多種試驗(yàn)提取出更詳盡的隔膜力學(xué)表征參數(shù)。
對(duì)電池組分材料的試驗(yàn)與仿真只是建立鋰電池精細(xì)化模型的一部分工作，電極材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)性質(zhì)以及隔膜材料顯著的各向異性以及粘彈性等性質(zhì)是建立準(zhǔn)確材料模型的難點(diǎn)。此外，本課題組還在積極開展對(duì)電池等效力學(xué)模型以及電池多物理場耦合等方面的研究，敬請(qǐng)關(guān)注！
