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圓柱形鋰電池受側(cè)向沖擊的結(jié)構(gòu)分析和試驗(yàn)研究

任何能量存儲(chǔ)系統(tǒng)（包括電池）設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是對(duì)其安全性的設(shè)計(jì)，因而為提高鋰離子電池在汽車上的應(yīng)用，需要對(duì)其在極端負(fù)荷條件下的力學(xué)特性（如機(jī)械沖擊特性）進(jìn)行研究。目前，對(duì)鋰電池沖擊特性的研究主要集中于對(duì)平面屬性的研究，且沒有考慮電池內(nèi)部未粘合的陽(yáng)極、陰極及其之間隔膜的滑移。以汽車常用的圓柱形鋰離子電池為例，研究電池受沖擊尤其是側(cè)向沖擊的機(jī)械響應(yīng)。

首先建立圓柱形鋰電池內(nèi)部活性材料的均質(zhì)模型。以江森自控制造的6P圓柱形鋰離子電池為試驗(yàn)對(duì)象。該圓柱形電池由4個(gè)主要機(jī)械部件組成：內(nèi)部活性材料、空心鋁管、鋁外殼和聚醚酰亞胺纖維隔板。由于內(nèi)部活性材料由多層（陽(yáng)極、陰極和隔膜）不同物質(zhì)構(gòu)成，因而其是非線性的，文中將內(nèi)部活性材料假設(shè)為各項(xiàng)同性材料。為了建立內(nèi)部活性材料的均質(zhì)模型，對(duì)其進(jìn)行非沿軸向的直接沖擊試驗(yàn)，并利用商業(yè)化軟件對(duì)內(nèi)部活性材料進(jìn)行均質(zhì)化模擬。直接沖擊試驗(yàn)主要進(jìn)行了橫向沖擊試驗(yàn)，這是由于汽車上圓柱形鋰電池多為垂直放置。汽車發(fā)生碰撞時(shí)，電池受橫向沖擊的影響較大。試驗(yàn)所用鋰電池為干電池，因其內(nèi)部沒有電解質(zhì)溶液，因而排除了爆炸和點(diǎn)燃的可能性。試驗(yàn)使用一個(gè)2.8m的跌落試驗(yàn)裝置，使用落錘引導(dǎo)鋰電池下落路徑并增加沖擊，采用的兩個(gè)落錘質(zhì)量分別為11.34kg和22.68kg，并利用高速拍攝相機(jī)記錄跌路過程。鋰電池跌落過程中，會(huì)出現(xiàn)保護(hù)裝置失效和嚴(yán)重變形引起的外部電路短路等情況。分析鋰電池內(nèi)部活性材料的形變，給出應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，建立活性材料的均質(zhì)模型。將獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線納入到建立的鋰電池顯式有限元模型中，模擬沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)和模擬結(jié)果表明，給出的均質(zhì)模型可以精確描述電池內(nèi)部活性材料的機(jī)械特性。文中只針對(duì)單個(gè)鋰電池進(jìn)行了分析，可利用有限元軟件對(duì)整個(gè)電池組的側(cè)向沖擊響應(yīng)進(jìn)行分析，以改善電池安全性的設(shè)計(jì)。

刊名：Journal of Power Sources（英）

刊期：2014年第271期

作者：Ilya Avdeev

編譯：陳丁躍