摘要：本文總結(jié)了車(chē)用鋰離子電池機(jī)械完整性領(lǐng)域研究現(xiàn)狀，指出了存在的問(wèn)題，并明確未來(lái)的重要發(fā)展方向。在交通事故中受到機(jī)械過(guò)載，包括在振動(dòng)與沖擊、大變形、針刺等載荷條件下，鋰離子電池會(huì)發(fā)生內(nèi)部短路、溫度升高、電池體內(nèi)壓強(qiáng)上升，從而導(dǎo)致熱逃逸現(xiàn)象，最終有可能引發(fā)失火及爆炸等災(zāi)難性后果。這將影響車(chē)用鋰離子電池的安全性，阻礙電動(dòng)汽車(chē)的推廣與應(yīng)用。目前研究者從材料、單體、模組、系統(tǒng)等不同尺度，通過(guò)實(shí)驗(yàn)、理論、仿真等方法，考慮多物理場(chǎng)耦合機(jī)制多方位地對(duì)鋰離子電池展開(kāi)研究。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池；機(jī)械完整性；多物理場(chǎng)耦合

1 鋰離子電池機(jī)械完整性概念

鋰離子電池機(jī)械完整性是指電池在受到機(jī)械過(guò)載條件下維持電池正常電化學(xué)功能的性質(zhì)。以單體鋰離子電池在機(jī)械過(guò)載條件下的安全行為為例：電池在受到碰撞載荷下結(jié)構(gòu)發(fā)生大變形，從而導(dǎo)致內(nèi)部組分材料失效，包括隔膜破裂或陰陽(yáng)極材料斷裂，進(jìn)而引發(fā)內(nèi)部短路022；內(nèi)部短路產(chǎn)生大量的焦耳熱從而導(dǎo)致單體電池結(jié)構(gòu)中的材料分解，結(jié)構(gòu)內(nèi)部壓強(qiáng)迅速增加與聚集，與此同時(shí)熱逃逸現(xiàn)象產(chǎn)生；當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到結(jié)構(gòu)承載極限會(huì)引發(fā)可能的失火與燥炸B3-25。上述單體電池機(jī)械完整性失效的產(chǎn)生過(guò)程是不可逆的，同時(shí)還會(huì)迅速向相鄰單體電池傳播，導(dǎo)致大面積.多米諾骨牌式的電池系統(tǒng)發(fā)生災(zāi)難性后果D6-7。該過(guò)程具有高度的非線(xiàn)性、復(fù)雜性，無(wú)法用單一的參數(shù)或準(zhǔn)則來(lái)衡量電池機(jī)械完整性，因而，只有進(jìn)行電池材料、電池單體、電池模組、電池包在過(guò)載下的失效安全設(shè)計(jì)（降低發(fā)生機(jī)械完整性失效的概率）與失效傳播防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（減輕發(fā)生事故的嚴(yán)重程度）兩者協(xié)同工作，才能夠大幅提高車(chē)用動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全。

2 主要車(chē)用鋰離于電池材料體系

將鋰離子電池現(xiàn)有的或潛在的陰極材料和陽(yáng)極材料。決定鋰離子電池性能的主要因素是陰極材料，因而一般所說(shuō)的鋰離子材料體系以陰極材料命名。綜合考慮材料體系的安全、成本、能量密度、電性能、原材料等條件，現(xiàn)有及未來(lái)可能成為新一代動(dòng)力電池材料主要可分為L(zhǎng)iFePO2、LiMn2O4、LiNi，Co，MngxO2、 LiNi，Co，Ala.yO2 及LiCoO2等幾個(gè)體系。陰極材料現(xiàn)在用的比較多的是石墨和LiIi，O2 17-23，同時(shí)隨著研究的深入Sn、Si/C復(fù)臺(tái)材料、Si 等材料由于其良好的能量密度有望成為下一代鋰離子電池的陽(yáng)極材料（29-32]。

LiCoO2材料體系發(fā)展相對(duì)成熟，是目前用于大量生產(chǎn)鋰離子電池的陰極材料。其循環(huán)性能好、容量高，但安全性能差、污染環(huán)境。近年來(lái)鈷酸鋰的市場(chǎng)占比逐年下降，由2011年的63.73%下降到2015年的250%，因此鈷酸鋰材料體系在未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)大量使用的可能性較小。

LiMn2O，陰極材料由于其出色的大電流充放電性能、環(huán)保、資源豐富、成本低等特點(diǎn)，正在成為鋰離子體系的主流之一-04373 但是能量密度低和高溫性能差是其最主要的缺點(diǎn)30。總體而言錳酸鋰材料體系有望成為未來(lái)電動(dòng)車(chē)行業(yè)大規(guī)模使用的材料體系之一。磷酸鐵鋰離子電池具有很高的熱穩(wěn)定性、循環(huán)性能、倍率性能，因此也成為鋰離子體系的主流之一。其缺點(diǎn)是材料穩(wěn)定性差、合成中質(zhì)量控制困難.加工性能差、材料導(dǎo)電性差、低溫性能差、能量密度偏低街。

對(duì)于三元材料（NCA和NCM）而言，由于其高電壓和高能量密度的重要優(yōu)點(diǎn)以及高、熱穩(wěn)定性好，成為現(xiàn)有鋰離子陰極材料的后起之秀，被認(rèn)為是下一代鋰離子動(dòng)力電池的主力軍9，但其安全性差是制約其快速發(fā)展的主要原因之一。

此外，電解液和隔膜也是鋰離子電池的重要組成部分。對(duì)于電解質(zhì)而言，其主要由鹽和溶劑組成。其常用的溶劑主要由碳酸乙烯脂（EC）、碳酸丙烯脂（PC）、碳酸丁烯脂（BC）、二甲基碳酸酯（DMC）、二已基碳酸酯（DEC）、乙酸乙酯（EA）等，最常用的鹽主要有LiBF4、LiPF4、LiAsF%、 LiClO，等。

電解液的選取、配比對(duì)不同的材料體系有著至關(guān)重要的作用，文獻(xiàn)[40]對(duì)電解液做了較為完整的綜述。同時(shí)，隔膜也是維持鋰離子電池機(jī)械完整性至關(guān)重要的-環(huán)，它置于陰極與陽(yáng)極材料之間，用于防止兩者的物理接觸；同時(shí)也提供離子通道。根據(jù)結(jié)構(gòu)與成分，隔膜可分為3種形式：微孔聚合物膜、無(wú)紡布?jí)|及無(wú)機(jī)混

合物膜。込3狆隔膜都具有厚度薄、孔隙率高、熟穏定性好等代點(diǎn)。其中，徼孔聚唏怪膜在液體屯解液屯池中返用廣泛。微孔聚合物膜現(xiàn)在主要有聚乙唏（PE）、聚丙唏（PP）、聚乙唏聚丙唏混合物（PE-PP）、高密度聚乙唏（HDPE） 4神主要材料。在迭取隔膜吋主要美注隔膜的化學(xué)穏定性、厚度、孔隙率、孔徑、滲透性、機(jī)械彊度、可濕性、尺寸穂定性、熱收縮性、高溫閉孔性、成本等因素。

3 鋰離子電池機(jī)械完 整性研究的展望

鋰離子電池機(jī)械完整性研究的關(guān)鍵前沿問(wèn)題及工程技術(shù)瓶頸包括：

1）深刻理解鋰離子電池的失效模式。

鋰離子電池的失效模式多樣，且很難用單一的物理量、準(zhǔn)則或過(guò)程進(jìn)行刻畫(huà)。例如對(duì)于內(nèi)部短路這- -常見(jiàn)的安全問(wèn)題，明晰內(nèi)部短路產(chǎn)生機(jī)制、傳播行為，能夠?yàn)榻档蛢?nèi)部短路風(fēng)險(xiǎn)及后果產(chǎn)生深刻影響。在此基礎(chǔ)上，提出用于測(cè)試電池單體或模組的內(nèi)部短路風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及手段也具有重要意義。

此外，建立完善物理意義明確、簡(jiǎn)單易用、涵蓋單體電池、電池模組、電池系統(tǒng)的失效開(kāi)始以及傳播物理模型或數(shù)值計(jì)算模型用于電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池機(jī)械完整性設(shè)計(jì)具有寶貴的工程指導(dǎo)價(jià)值。

2）提出有效的表征手段與系統(tǒng)。

鋰離子電池發(fā)生機(jī)械完整性失效往往具有較長(zhǎng)時(shí)間的孕育期。而一旦臨界狀態(tài)達(dá)到，在極短的時(shí)間內(nèi)便發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的失效。因此在現(xiàn)有車(chē)載電池管理系統(tǒng)中搭載類(lèi)似的提前預(yù)警系統(tǒng)，能夠極大程度上降低電池失效導(dǎo)致的災(zāi)難風(fēng)險(xiǎn)。

3）提高電池材料本身的機(jī)械完整性能。

由于電池陽(yáng)板材料經(jīng)常是鋰離子電池中經(jīng)常發(fā)生失效的材料，因此發(fā)展新型電池材料、新型材料選擇方法與理論以及陽(yáng)極材料電化學(xué)反應(yīng)機(jī)制將成為研究重點(diǎn)。另一方面，更加深人地理解硅或合金材料的陰極電極材料在鋰離子電池使用過(guò)程中的失效機(jī)理將成為亟待解決的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，中國(guó)已將新能源汽車(chē)業(yè)列為今后一個(gè)時(shí)期大力發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，這就為鋰離子電池打開(kāi)了更為廣闊的市場(chǎng)空間。同時(shí)，在電動(dòng)自行車(chē)領(lǐng)域、航天領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域之中，鋰離子電池也具有非常好的發(fā)展前景。筆者堅(jiān)信，隨著鋰離子電池技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，鋰離子電池所具有的性能必然會(huì)愈來(lái)愈高，其應(yīng)用價(jià)值也會(huì)越來(lái)越大，并朝著高能量密度化、高功率化、大型化等趨勢(shì)繼續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李明月.新型鋰離子電池材料研究進(jìn)展[J].化工生產(chǎn)與技術(shù)，2010（4）.

[2] 賈豐春.鋰離子電池負(fù)極材料研究進(jìn)展[J].遼寧化工，2011（11）.

作者簡(jiǎn)介：蔣彥璞，1983年9月10日，男，漢族，河南省新鄉(xiāng)市，本科，助理工程師，機(jī)械設(shè)計(jì)。