關(guān)鍵詞：方形鋰離子電池；沖擊質(zhì)量；沖擊速度；沖擊能量；動(dòng)態(tài)失效

電動(dòng)汽車(chē)碰撞事故隨著電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的快速發(fā)展而增多，這迫切要求提升電動(dòng)汽車(chē)的耐撞性，以確保乘客安全。在電動(dòng)汽車(chē)碰撞過(guò)程中，作為危險(xiǎn)源的電池往往承受沖擊，發(fā)生形變。因此，深入探究鋰離子電池在沖擊載荷下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)于確保電動(dòng)汽車(chē)的安全性至關(guān)重要。近年來(lái)，鋰離子電池在動(dòng)態(tài)沖擊下的力學(xué)行為受到了高度關(guān)注。

在動(dòng)態(tài)載荷下的動(dòng)力電池安全研究領(lǐng)域，Liu等[1]全面解析了機(jī)械濫用負(fù)載下鋰離子電池的機(jī)械-電化學(xué)-熱耦合機(jī)制，為深入理解電池失效過(guò)程提供了寶貴視角。Xia等[2]聚焦于鋰離子電池組在底面沖擊下的局部變形和單體短路行為，揭示了沖擊對(duì)電池組整體安全性的具體影響。Xu等[3-4]基于圓柱形鋰離子電池的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和材料特性，深入探討了應(yīng)變率和慣性效應(yīng)對(duì)鋰離子電池動(dòng)態(tài)力學(xué)失效行為的影響，并構(gòu)建了高精度的數(shù)值模型，為預(yù)測(cè)電池動(dòng)態(tài)力學(xué)失效行為提供了有力工具。Jia等[5]研究了動(dòng)態(tài)載荷下軟包鋰離子電池的力響應(yīng)與電性能之間的耦合行為及失效模式。Kisters等[6-7]開(kāi)展了一系列動(dòng)態(tài)局部壓痕試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了軟包和橢圓鋰離子電池在不同沖擊速度下的變形和短路行為，強(qiáng)調(diào)了應(yīng)變率對(duì)電池機(jī)械響應(yīng)的顯著影響。Ratner等[8]通過(guò)研究揭示了軟包鋰離子電池在沖擊試驗(yàn)中剛度提高與應(yīng)變率敏感性之間的關(guān)系，深化了對(duì)電芯內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)與液體電解質(zhì)相互作用機(jī)制的理解。Chen等[9-10]和Kotter等[11]分別對(duì)方形鋰離子電池開(kāi)展了動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)，前者側(cè)重于研究不同壓頭下應(yīng)變率對(duì)電池力學(xué)性能的影響，后者則關(guān)注電池的硬化、壓縮性及破壞失效機(jī)制。Hu等[12]研究發(fā)現(xiàn)，電池組在動(dòng)態(tài)沖擊條件下的變形失效行為與應(yīng)力波傳播相關(guān)聯(lián)，沖擊速度主要影響電池的失效位移。

針對(duì)鋰離子電池?fù)p傷后電芯內(nèi)部裂紋的研究，學(xué)者們也取得了顯著進(jìn)展。Sahraei等[13]利用XCT（X-raycomputedtomography）掃描技術(shù)，精確檢測(cè)了機(jī)械濫用導(dǎo)致的電芯短路裂紋，并開(kāi)發(fā)了新模型以提高裂紋預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。Wang等[14]通過(guò)不同直徑球體雙面擠壓方形鋰離子電池試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電芯的變形表現(xiàn)為集流體撕裂、電極層斷裂和滑動(dòng)、隔膜的破裂，形成跨越多層的剪切斷層帶，剪切滑移帶導(dǎo)致內(nèi)短路的發(fā)生。Chung等[15]研究了不同加載條件下大型鋰離子軟包電池的裂紋擴(kuò)展行為，提出將莫爾-庫(kù)侖斷裂準(zhǔn)則用于分析裂紋形成和短路失效。Zhu等[16]對(duì)鋰離子軟包電池在不同擠壓模式下的失效機(jī)理進(jìn)行了XCT分析，發(fā)現(xiàn)擠壓過(guò)程中產(chǎn)生的剪切力誘發(fā)電極和集流體破壞及隔膜失效是導(dǎo)致電池產(chǎn)生內(nèi)短路失效的主要原因。Zhu等[17]用3種不同的壓頭對(duì)方形鋰離子電池及電池的電芯進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)加載，發(fā)現(xiàn)在所有情況下，第1個(gè)電芯裂紋的形成引發(fā)的短路會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電池組的故障，并建立了數(shù)值模型模擬短路失效行為。Li等[18]通過(guò)試驗(yàn)并用XCT觀察到了彎曲電池底部的電極層中存在廣泛的裂紋。Xing等[19]研究了準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)機(jī)械壓痕作用下方形鋰離子電池的失效行為，通過(guò)XCT分析發(fā)現(xiàn)層間斜向裂紋是誘發(fā)短路的主要原因。Wang等[20]發(fā)現(xiàn)，在動(dòng)態(tài)工況下，18650電池電芯層間受到剪切破壞，其XCT圖片呈現(xiàn)出傾斜的斷裂裂紋，并依此建立了一個(gè)各向異性均質(zhì)模型，較好地模擬了裂紋輪廓。Kisters等[21]通過(guò)對(duì)軟包鋰離子電池進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊測(cè)試和受載后的XCT觀察，研究了侵入過(guò)程中電芯的外部響應(yīng)和內(nèi)部斷裂面，提出了鋰離子電池的失效模式和斷裂延展的應(yīng)變率依賴性。Liu等[22]通過(guò)對(duì)軟包電池進(jìn)行4種加載速率的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)老化造成的高容量衰減對(duì)產(chǎn)生熱失控有較大影響。Li等[23]通過(guò)XCT掃描，觀察軟包鋰離子電池的圓柱形壓痕，發(fā)現(xiàn)了貫穿鋰離子電池厚度的裂紋。Chen等[24]研究了方形鋰離子電池在反復(fù)動(dòng)態(tài)沖擊下的短路失效行為，發(fā)現(xiàn)沖擊速度和能量的提高顯著降低了短路沖擊次數(shù)。Zhang等[25]建立了18650圓柱鋰離子電池的數(shù)值模型，研究了沖擊速度下鋰離子電池的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，得到了一個(gè)與沖擊速度相關(guān)的失效準(zhǔn)則。Kalnaus等[26]開(kāi)展了動(dòng)態(tài)沖擊軟包鋰離子電池模組的試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)較低的沖擊速度也會(huì)在鋰離子電池的分層結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生斷層線，導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)短路。以上研究為制定更嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)提供了一定的試驗(yàn)依據(jù)。

目前，現(xiàn)有研究多側(cè)重于不同沖擊速度導(dǎo)致鋰離子電池短路失效的單一維度的分析。鑒于此，本文中在探討沖擊速度影響的同時(shí)，將不同沖擊質(zhì)量作為另一關(guān)鍵變量納入試驗(yàn)設(shè)計(jì)。通過(guò)開(kāi)展準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)，研究導(dǎo)致鋰離子電池短路失效的兩大關(guān)鍵因素，即沖擊速度和沖擊質(zhì)量，深入剖析沖擊速度和沖擊質(zhì)量共同作用于鋰離子電池導(dǎo)致其失效的內(nèi)在機(jī)制。

1試 驗(yàn)

1.1試件

選用的方形鋰離子電池如圖1所示，其尺寸為148mm×98mm×27mm，質(zhì)量為0.82kg，電池殼體由3003鋁材經(jīng)深拉工藝制成，內(nèi)裝雙層卷繞電芯。該電池以鎳鈷錳NCM622（LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2）為正極材料、石墨為負(fù)極材料，六氟磷酸鋰（LiPF6）為電解液材料，額定容量為50A?h，額定電壓為3.65V，充電截止電壓為4.20V，放電截止電壓為2.80V。大部分用于試驗(yàn)的鋰離子電池均預(yù)先調(diào)整至0SOC（stateofcharge），經(jīng)過(guò)一次完整的充放電循環(huán)后靜置24h，以確保電池內(nèi)部荷電狀態(tài)穩(wěn)定，且初始電壓維持在3.05V±0.05V。

1.2準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)

開(kāi)展準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)旨在評(píng)估方形鋰離子電池在受到外部壓力時(shí)的抗擠壓能力，以確保鋰離子電池在正常使用和潛在事故情況下，能夠保持結(jié)構(gòu)完整和電氣安全。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB38031—2020《電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池安全要求》中的擠壓試驗(yàn)要求，利用Instron2386萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（圖2），采用尺寸為150mm×140mm的半圓柱形沖頭，對(duì)148mm×98mm的鋰離子電池平面進(jìn)行了6種不同進(jìn)給速度（1、10、30、50、80和100mm/min）的勻速擠壓，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)記錄位移和載荷數(shù)據(jù)，直至電池發(fā)生短路失效，以觀察不同進(jìn)給速度下導(dǎo)致電池短路失效的影響因素。為確保試驗(yàn)結(jié)果的精確性和穩(wěn)定性，將沖頭通過(guò)6個(gè)螺桿牢固地連接在移動(dòng)柱上。同時(shí)，采用Agilent安捷倫34420A納伏表以48ms采樣間隔記錄電池電壓的動(dòng)態(tài)變化。萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和納伏表同時(shí)開(kāi)始試驗(yàn)，確保位移、載荷與電壓數(shù)據(jù)之間的同步。為確保結(jié)果的可靠性，每組試驗(yàn)均進(jìn)行了3次重復(fù)試驗(yàn)。

1.3動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)

落錘沖擊試驗(yàn)則是利用1808型大落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)（圖3（a））模擬方形鋰離子電池的側(cè)碰工況。利用電荷放大器和DPO2014B示波器（圖3（b）），實(shí)現(xiàn)載荷數(shù)據(jù)和電壓數(shù)據(jù)的同步采集。將方形鋰離子電池固定在尺寸為300mm×250mm×40mm的墊板上，并通過(guò)壓板在兩側(cè)緊固（圖3（c）），以防止電池在沖擊過(guò)程中反向彈起。將電池的正負(fù)極通過(guò)鎳片導(dǎo)線連接到示波器上，以便實(shí)時(shí)、精確地測(cè)量電壓變化。通過(guò)釋放帶有負(fù)載傳感器的滑塊沖頭，實(shí)現(xiàn)自由落體運(yùn)動(dòng)，從而將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，沖擊鋰離子電池。使用高速攝像機(jī)捕捉?jīng)_擊瞬間的動(dòng)態(tài)影像，為后續(xù)深入分析提供直觀資料。試驗(yàn)中，采用了3種不同質(zhì)量的落錘滑塊和錘頭組合（總質(zhì)量分別為28.50、50.20和71.80kg），并以沖擊速度（1.0～6.0m/s）模擬不同沖擊質(zhì)量對(duì)鋰離子電池沖擊后短路失效的影響。依據(jù)可精確計(jì)算沖擊試驗(yàn)中鋰離子電池承受的沖擊能量，式中E為沖擊能量，m為沖擊質(zhì)量，v為沖擊速度。每組試驗(yàn)均重復(fù)3次，以確保結(jié)果的可靠性，詳見(jiàn)表1。采用德國(guó)沃斯WerthMesstechnikTomoScopeL工業(yè)CT作為XCT檢測(cè)設(shè)備。所用鋰離子電池的荷電狀態(tài)主要以0SOC為主，進(jìn)行不同荷電狀態(tài)下的沖擊試驗(yàn)時(shí)，電池荷電狀態(tài)處于0～0.5SOC區(qū)間。

2試驗(yàn)結(jié)果

2.1準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)

不同進(jìn)給速度對(duì)鋰離子電池短路失效的影響如圖4所示。從圖4（a）可以觀察到，在1mm/min的進(jìn)給速度下，載荷從0kN上升至峰值257.00kN，然后下降至136.00kN，再次上升至178.00kN，然后再下降至98.00kN。隨著載荷的增大，鋰離子電池受沖頭擠壓逐漸增大的變形損傷的位移量，稱為壓縮位移。電壓在A點(diǎn)處開(kāi)始下降，電壓微降，A點(diǎn)為軟短路點(diǎn)，圖4（a）～（b）和（d）～（f）中A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓縮位移為7.00mm。電壓在B點(diǎn)處開(kāi)始驟降，B點(diǎn)為硬短路點(diǎn)，圖4（a）～（d）和（f）中B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓縮位移為8.10～8.75mm，擠壓速度的提高導(dǎo)致硬短路位移點(diǎn)增大。

隨著擠壓速度的提高，擠壓過(guò)程中的載荷峰值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。具體而言，峰值載荷從257.00kN降至172.00kN。此外，載荷-位移曲線的變化揭示了力學(xué)行為特征的顯著變化。在1mm/min的低速擠壓條件下，第1個(gè)峰值載荷257.00kN顯著高于隨后的第2個(gè)峰值載荷178.00kN，這表明電池在不同階段展現(xiàn)出不同的力學(xué)響應(yīng)。然而，當(dāng)擠壓速度升至100mm/min時(shí)（圖4（f）），壓縮時(shí)間縮短導(dǎo)致內(nèi)部電芯斷裂與外部殼體破裂的時(shí)間間隔縮短，電芯與外殼的受力過(guò)程趨于同步。在這一擠壓速度下，第1個(gè)峰值載荷降至172.00kN，而第2個(gè)峰值載荷為170.00kN，兩者之間的差異減小。這一現(xiàn)象表明，擠壓速度是影響鋰離子電池受力狀態(tài)及破裂行為的關(guān)鍵因素，且隨著擠壓速度的提高，電池內(nèi)部與外部的損傷模式趨于一致。

試驗(yàn)后拆解鋰離子電池發(fā)現(xiàn)，電芯已經(jīng)完全斷裂成兩部分，且斷裂間距較大，這與試驗(yàn)曲線中的第1個(gè)峰值載荷對(duì)應(yīng)于內(nèi)部電芯斷裂、第2個(gè)峰值載荷（C點(diǎn)）對(duì)應(yīng)于殼體結(jié)構(gòu)失效相吻合。這進(jìn)一步驗(yàn)證了鋰離子電池在機(jī)械擠壓作用下，其失效過(guò)程呈現(xiàn)受壓逐漸形變，峰值載荷達(dá)到一定值后，電芯整體斷裂，發(fā)生硬短路，電壓急劇下降，電池失效。電壓穩(wěn)定性是評(píng)估電池安全性能的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。鋰離子電池殼體的變形使殼體內(nèi)電芯的壓力急劇上升，造成電芯斷裂引發(fā)短路，進(jìn)而導(dǎo)致電池失效及熱失控、燃燒爆炸等安全事故。因此，殼體與電芯在機(jī)械載荷下的完整性對(duì)于保障電池整體安全性至關(guān)重要。

硬短路B點(diǎn)為短路失效的關(guān)鍵參數(shù)點(diǎn)，對(duì)硬短路B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的載荷所做功的變化進(jìn)行分析。對(duì)于變力做功的情況，將力視為位移的函數(shù)，功可以通過(guò)對(duì)力在位移區(qū)間[0，s]上的積分來(lái)計(jì)算，即：

根據(jù)圖4，提取了硬短路點(diǎn)處的載荷F和位移s，并利用式（1）計(jì)算失效點(diǎn)對(duì)應(yīng)的能量，見(jiàn)表2。硬短路點(diǎn)載荷隨進(jìn)給速度的升高呈下降趨勢(shì)。通過(guò)繪制不同進(jìn)給速度下的能量點(diǎn)并擬合，得到了一條擬合度R2為0.968的曲線（見(jiàn)圖5）。該曲線顯示，能量隨進(jìn)給速度的提高呈上升趨勢(shì)。

圖6展示了圖4中載荷曲線上2個(gè)載荷峰值之比，即第2個(gè)波形峰值與第1個(gè)波形峰值的比，從圖4（a）的0.696增大至圖4（f）的0.989，并對(duì)6種不同進(jìn)給速度下兩者的比進(jìn)行了擬合，得到了一條擬合度R2為0.931的曲線。結(jié)果表明，隨著進(jìn)給速度的提升，2個(gè)波形的峰值逐漸接近。這一現(xiàn)象歸因于波形1的峰值是在電池外殼和電芯共同承受擠壓載荷時(shí)形成的，電芯為主要承載結(jié)構(gòu)。達(dá)到峰值載荷后，外殼顯著彎曲變形，此時(shí)殼體的兩側(cè)壁對(duì)電池上表面產(chǎn)生拉緊效應(yīng)，引發(fā)內(nèi)部電芯斷裂，從而導(dǎo)致峰值載荷和電壓均下降。隨著半圓柱沖頭的繼續(xù)下壓，已斷裂的電池電芯對(duì)兩側(cè)壁產(chǎn)生的擠壓力載荷開(kāi)始上升。當(dāng)沖頭下壓載荷超出兩側(cè)壁的承受極限時(shí)，達(dá)到第2個(gè)波形峰值，在沖頭下壓和電芯向外擠壓的雙重作用下，電池殼最終無(wú)法承受這種壓力，導(dǎo)致外殼失效并出現(xiàn)破裂，如圖4（f）中的實(shí)物照片所示。值得注意的是，隨著進(jìn)給速度的提高和受力時(shí)間的縮短，原本因電池殼和電芯材料差異而產(chǎn)生的2個(gè)波形峰值，在時(shí)間顯著縮短的情況下，會(huì)逐漸融合為一個(gè)波峰。這意味著電池殼和電芯將實(shí)現(xiàn)同步形變。

2.2動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)

2.2.10SOC荷電狀態(tài)下的方形鋰離子電池沖擊試驗(yàn)

沖頭質(zhì)量從28.50kg增至71.80kg時(shí)，鋰離子電池在沖擊載荷下的響應(yīng)如圖7所示。以沖頭質(zhì)量為28.50kg為例，當(dāng)沖擊速度從1.0m/s升至6.0m/s時(shí)，沖擊載荷從8.00kN增至32.00kN，而鋰離子電池僅發(fā)生軟短路。當(dāng)沖頭質(zhì)量為71.80kg時(shí)，在相同的沖擊速度范圍內(nèi)，沖擊載荷從25.00kN增至138.00kN。在1.0～3.0m/s的沖擊速度下，鋰離子電池電壓下降0.10V，發(fā)生軟短路；在4.0～6.0m/s的沖擊速度下，鋰離子電池均發(fā)生硬短路。在4.0m/s的沖擊速度下，電壓由3.05V下降至2.66V，又回升至2.81V；在5.0m/s的沖擊速度下，電壓由3.05V最終下降至0.92V；在6.0m/s的沖擊速度下，電壓由3.05V最終下降至0.08V。

結(jié)果顯示，隨著沖頭質(zhì)量的增大和沖擊速度的提高，其對(duì)沖擊載荷的影響顯著增強(qiáng)。具體而言，當(dāng)沖擊速度從1.0m/s逐漸升至6.0m/s時(shí)，沖擊載荷隨之增大，直接影響了鋰離子電池的電壓響應(yīng)，其中在1.0～3.0m/s的沖擊速度范圍內(nèi)，電池未發(fā)生硬短路。然而，當(dāng)沖擊速度升至4.0m/s時(shí)，特別是使用質(zhì)量為50.20和71.80kg的沖頭進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)，觀察到電池發(fā)生了硬短路現(xiàn)象。這表明，鋰離子電池的機(jī)械強(qiáng)度和電壓與應(yīng)變率具有較高的相關(guān)性，且沖頭質(zhì)量的變化對(duì)電池?fù)p傷程度有直接影響。這一點(diǎn)在評(píng)估鋰離子電池機(jī)械沖擊失效性能時(shí)至關(guān)重要。

圖8～10展示了在不同質(zhì)量的沖頭以6.0m/s的速度沖擊下鋰離子電池外部和內(nèi)部的形變特性。

在28.50kg-6.0m/s沖頭的沖擊下，鋰離子電池承受的沖擊能量為513.00J，該電池僅發(fā)生一些輕微變形，電池殼體完整，如圖8（a）所示；電壓從3.05V微降后再回升至3.00V，發(fā)生了軟短路現(xiàn)象，如圖8（b）所示；上層電芯在沖壓作用下形成圓弧狀，如圖8（c）所示，并伴隨著明顯的致密化過(guò)程，這一變化進(jìn)而導(dǎo)致了電極和隔膜的相應(yīng)形變。在電芯的右上角觀察到若干層間存在微小間隙，此現(xiàn)象可能源于正極活性材料在集流體上的局部脫離及積聚。

在50.20kg-6.0m/s沖頭的沖擊下，鋰離子電池承受的沖擊能量為903.60J，該電池發(fā)生較大程度的變形且兩側(cè)鼓起，外殼保持完整，如圖9（a）所示；圖9（b）～（c）顯示電芯明顯發(fā)生了二次斷裂，電芯上層的斷裂導(dǎo)致第1段電壓降至2.00V，經(jīng)過(guò)一個(gè)小的平臺(tái)，電芯的下層也發(fā)生了斷裂，導(dǎo)致電壓下降至0.50V，電芯的斷裂層數(shù)和電壓下降幅值一一對(duì)應(yīng)。盡管外殼未破裂，但剪切力已貫穿整個(gè)電芯，將其完全切斷，切斷部分的間距在4～8mm之間。

在71.80kg-6.0m/s沖頭的沖擊下，鋰離子電池承受的沖擊能量為1292.40J，該電池外殼的左、右側(cè)板已破裂，電芯被擠出，如圖10（a）所示；圖10（b）顯示電壓從3.05V驟降至0.10V，表明電池發(fā)生了硬短路；圖10（c）顯示，已無(wú)法清晰區(qū)分上、下兩層電芯的界限，電芯在垂直方向上發(fā)生了明顯的斷裂，并呈現(xiàn)斜切斷裂模式，電芯右側(cè)還殘留有斷續(xù)的連接材料，斷裂寬度約為20～25mm，較大的層間斷裂加劇了電壓下降的速度和幅度。

沖頭質(zhì)量和沖擊速度是評(píng)估鋰離子電池機(jī)械沖擊損傷的2個(gè)關(guān)鍵因素，它們共同決定了沖擊能量的大小，直接影響鋰離子電池的損傷程度。

2.2.20～0.5SOC荷電狀態(tài)下的方形鋰離子電池沖擊試驗(yàn)

對(duì)0～0.5SOC的鋰離子電池，采用質(zhì)量為50.20kg的沖頭，在5.0m/s的沖擊速度下進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)后的電池進(jìn)行失效分析，結(jié)果如圖11～12所示。

由圖11（a）可知，在質(zhì)量為50.20kg的沖頭以5.0m/s的速度沖擊下，沖擊載荷從94.70kN增大至98.00kN，不同SOC的鋰離子電池所受到的沖擊載荷并未表現(xiàn)出明顯差異。但電壓曲線有顯著差異，如圖11（b）所示，所有試驗(yàn)鋰離子電池均發(fā)生了硬短路，其中0～0.3SOC的鋰離子電池在電壓下降后直接降至低電壓。相比之下，0.4～0.5SOC的鋰離子電池在電壓下降后出現(xiàn)了回升現(xiàn)象。0.4SOC的鋰離子電池電壓從3.62V下降至2.14V后回升至2.98V；0.5SOC的鋰離子電池電壓從3.63V下降至1.85V后回升至2.14V。較高SOC的鋰離子電池能承載的沖擊載荷有所增加，并影響到了電壓的回升。

在50.20kg-5.0m/s沖頭的沖擊下，0.5SOC的鋰離子電池承受的沖擊能量為627.50J，從圖12（a）可以看出，電池表面有明顯的燒焦痕跡，說(shuō)明在該沖擊條件下電池發(fā)生了熱失控。從圖12（b）可以看出，沖擊載荷曲線呈現(xiàn)2個(gè)波峰，第1個(gè)波峰為73.00kN，第2個(gè)波峰為97.00kN；電壓從3.63V緩慢降至2.60V，電池發(fā)生了硬短路。從圖12（c）可以看出，在50.20kg-5.0m/s沖頭的沖擊下，電池上層電芯層間結(jié)構(gòu)遭到了破壞，部分電極隔膜斷裂，形成了明顯的裂紋。這導(dǎo)致電壓下降，引發(fā)硬短路。下層電芯層間出現(xiàn)了顯著的褶皺形態(tài)，可能是在熱失控引發(fā)的高溫環(huán)境下電芯材料經(jīng)歷熱膨脹與收縮循環(huán)所致。試驗(yàn)中，鋰離子電池由內(nèi)向外噴射火星，并釋放大量白煙，隨后發(fā)生劇烈燃燒現(xiàn)象。這主要是由于高SOC狀態(tài)下的鋰離子電池具有較高的鋰離子荷電量，為熱失控提供了充足的能量，并且電解液的易燃性進(jìn)一步加劇了熱失控的不可控性。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SOC超過(guò)0.2時(shí)，以50.20kg-5.0m/s的沖頭沖擊鋰離子電池就會(huì)引發(fā)熱失控現(xiàn)象。對(duì)于方形鋰離子電池而言，硬短路發(fā)生時(shí)SOC的高低是觸發(fā)熱失控的決定性因素。

3討論

3.1準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)

如圖4所示，低速擠壓時(shí)，鋰離子電池有時(shí)間逐漸響應(yīng)外部載荷，導(dǎo)致能量吸收和分布較均勻，從而在載荷-位移曲線上形成2個(gè)明顯的峰值，分別對(duì)應(yīng)不同的力學(xué)響應(yīng)階段。而在較高速度擠壓時(shí)，由于擠壓時(shí)間縮短，鋰離子電池沒(méi)有足夠的時(shí)間逐步響應(yīng)外部載荷，導(dǎo)致能量在瞬間集中，使得2個(gè)峰值載荷趨于接近。擠壓速度對(duì)造成短路失效的峰值載荷大小有顯著影響。硬短路對(duì)應(yīng)的位移點(diǎn)是判斷鋰離子電池失效的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件下，方形鋰離子電池的硬短路失效位移界限為8.06mm，如表2所示。

3.2動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)

深入分析圖7～12發(fā)現(xiàn)，當(dāng)質(zhì)量為50.20kg的沖頭以5.0m/s的速度沖擊鋰離子電池時(shí)，產(chǎn)生的沖擊能量627.50J會(huì)導(dǎo)致該鋰離子電池恰好發(fā)生硬短路，進(jìn)而使鋰離子電池進(jìn)入危險(xiǎn)的臨界失效狀態(tài)?；谏鲜鲈囼?yàn)結(jié)果，將鋰離子電池在不同沖擊能量作用下的失效劃分為以下3種模式。

（1）輕微損傷模式。如圖8（b）所示，513.00J的沖擊能量低于電池失效的臨界沖擊能量627.50J。電壓短暫下降0.10V后迅速恢復(fù)，鋰離子電池發(fā)生軟短路。電池外殼輕微變形，電芯的隔膜保持完整，電極間隙微增，電池性能未受影響，可繼續(xù)正常工作。

（2）硬短路失效模式。如圖12（b）所示，當(dāng)受到的沖擊能量達(dá)到627.50J時(shí)，鋰離子電池發(fā)生硬短路，電壓從3.63V降至2.60V。電芯上層隔膜和電極均產(chǎn)生裂紋，引發(fā)內(nèi)部短路。而電池殼體微小破損導(dǎo)致內(nèi)部積聚的熱量難以迅速散發(fā)，這進(jìn)一步增加了熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）完全破壞模式。如圖10（b）所示，沖擊能量達(dá)到臨界閾值的2倍，即1292.40J。沖擊導(dǎo)致電池電壓瞬間降至零。電池外殼破裂，電解液泄露，電芯斷裂成兩部分，電池完全失效，造成極大危險(xiǎn)。

為了深入探究并明確沖擊能量、速度和質(zhì)量在鋰離子電池失效模式中的相對(duì)重要性，特別設(shè)計(jì)并實(shí)施了一項(xiàng)關(guān)鍵的驗(yàn)證性試驗(yàn)。此試驗(yàn)的核心目標(biāo)在于，當(dāng)沖擊能量被嚴(yán)格控制在恒定水平時(shí)，精準(zhǔn)辨識(shí)沖擊質(zhì)量與沖擊速度這兩者之間，誰(shuí)才是決定鋰離子電池?fù)p傷程度的主導(dǎo)因素。在構(gòu)成相同沖擊能量的條件下，沖擊質(zhì)量和沖擊速度的組合是多樣的，見(jiàn)表3。試驗(yàn)用的鋰離子電池荷電狀態(tài)為0SOC。

恒定沖擊能量下，不同質(zhì)量的沖頭以不同速度沖擊鋰離子電池的試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

從圖13（a）可以看出，沖擊質(zhì)量的減少導(dǎo)致沖擊載荷也相應(yīng)降低，落錘質(zhì)量從139.50kg減少至29.71kg時(shí)，沖擊載荷由164.43kN降低至25.40kN。同時(shí)，沖擊速度的提高會(huì)導(dǎo)致硬短路的發(fā)生提前，并伴隨著沖擊時(shí)間的縮短，從而加速了電壓降的顯現(xiàn)過(guò)程。

在相同的臨界沖擊能量下，鋰離子電池?zé)o一例外地發(fā)生了硬短路現(xiàn)象，電芯均產(chǎn)生了斷裂裂紋，如圖14～18所示，沖擊試驗(yàn)的峰值載荷和硬短路失效時(shí)間點(diǎn)見(jiàn)表4。

從圖14（a）可以看出，在質(zhì)量為139.50kg的沖頭以3.0m/s的速度沖擊下，鋰離子電池受到的沖擊載荷達(dá)到164.43kN，電壓由3.19V先緩慢下降到3.08V，再降至2.75V，再驟降至0.25V，產(chǎn)生硬短路。從圖14（b）～（c）可以看出，在此沖擊條件下電池電芯結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致電芯的中部和底部都出現(xiàn)了一條貫穿性的裂紋，斷裂角度分別為65.75°和46.04°，電芯底部正負(fù)極層間出現(xiàn)了相互錯(cuò)位，這導(dǎo)致電芯產(chǎn)生內(nèi)短路。

從圖15（a）可以看出，在質(zhì)量為78.45kg的沖頭以4.0m/s的速度沖擊下，鋰離子電池受到的沖擊載荷達(dá)到127.60kN，電壓由3.19V先緩慢下降到3.08V，再降至2.00V，再驟降至0.40V，產(chǎn)生硬短路。從圖15（b）可以看出，電芯的中部出現(xiàn)了2層的斷裂。從圖15（c）可以看出，電芯底部中間位置形成了一個(gè)交叉斷裂，更是出現(xiàn)了3層斷裂，其斷裂角度為48.80°。

從圖16（a）可以看出，在質(zhì)量為50.20kg的沖頭以5.0m/s的速度沖擊下，鋰離子電池受到的沖擊載荷達(dá)到99.46kN，電壓由3.19V先緩慢下降到3.06V，再至2.65V，再驟降至0.35V，產(chǎn)生硬短路。從圖16（b）可以看出，電芯中部的上半部分與殼體接觸處有明顯的破損。從圖16（c）可以看出，電芯底部出現(xiàn)了3層的斷裂，其斷裂角度為47.58°。

從圖17（a）可以看出，在質(zhì)量為34.87kg的沖頭以6.0m/s的速度沖擊下，鋰離子電池受到的沖擊載荷達(dá)到37.60kN，電壓由3.19V先緩慢下降到3.09V，再降至2.78V，再驟降至0.22V，產(chǎn)生硬短路。對(duì)應(yīng)的電壓降出現(xiàn)了一個(gè)微小的反折后直線下滑。從圖17（b）可以看出，電芯中部第3層出現(xiàn)了明顯的空隙，且頂部與電池殼接觸的部分也出現(xiàn)了明顯損傷。從圖17（c）可以看出，電芯底部則呈現(xiàn)出非直線的換向裂紋，裂紋角度為46.64°。

從圖18（a）可以看出，在質(zhì)量為29.71kg的沖頭以6.5m/s的速度沖擊下，鋰離子電池受到的沖擊載荷達(dá)到25.40kN，電壓由3.19V先緩慢下降到3.07V，再降至2.77V，再驟降至0.26V，產(chǎn)生硬短路。從圖18（b）可以看出，電芯中部的下端區(qū)域呈現(xiàn)了褶皺現(xiàn)象。從圖18（c）可以看出，電芯底部前兩層出現(xiàn)了明顯的裂紋，裂紋角度為50.62°，此沖擊速度下產(chǎn)生了換向裂紋。

如圖14（c）、15（c）、16（c）、17（c）和18（c）所示，沖擊過(guò)程中施加于電芯結(jié)構(gòu)的破壞力與沖擊能量密切相關(guān)。當(dāng)沖擊能量超過(guò)方形鋰離子電池的臨界失效能量時(shí)，電芯裂紋的擴(kuò)展通常伴隨著電極與隔膜的同時(shí)斷裂。斷裂路徑傾向于從電芯頂部以特定角度（46.04°～50.62°）傾斜向下延伸，這一角度由電芯材料的固有力學(xué)特性決定。剪切斷裂失效通常起始于最大應(yīng)變點(diǎn)，成為裂紋萌發(fā)的源頭[27]。斷裂裂紋是電芯在承受沖擊載荷時(shí)的一種典型失效模式，其產(chǎn)生主要受到?jīng)_擊質(zhì)量和沖擊速度的共同影響。

較大質(zhì)量的沖頭產(chǎn)生較大的沖擊載荷，導(dǎo)致隔膜在高載荷沖擊下極易發(fā)生形變乃至斷裂，形成貫穿性裂紋。這種裂紋不僅破壞了隔膜作為絕緣屏障的功能，還導(dǎo)致了正負(fù)極之間的有效隔離失效。正負(fù)極的相對(duì)錯(cuò)位增加了直接接觸的風(fēng)險(xiǎn)，如圖14（c）所示，從而增大了內(nèi)短路的發(fā)生概率。

相比之下，在較小質(zhì)量沖頭和較高沖擊速度的共同作用下，斷裂裂紋的擴(kuò)展深度減小，穿透的電芯層數(shù)相比大質(zhì)量沖頭穿透的電芯層數(shù)略有減少，見(jiàn)圖18（c）。這一現(xiàn)象表明，沖擊質(zhì)量和沖擊速度的組合對(duì)電芯結(jié)構(gòu)的破壞程度有顯著影響，且這種影響對(duì)于評(píng)估鋰離子電池在機(jī)械沖擊下的安全性至關(guān)重要。

依據(jù)表4做出的沖擊失效曲線如圖19所示。關(guān)于鋰離子電池的失效，可以從沖擊質(zhì)量和沖擊速度2個(gè)核心因素進(jìn)行深入探討。

從沖擊質(zhì)量的角度，沖擊載荷與沖擊質(zhì)量呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，見(jiàn)圖19（a）。沖擊質(zhì)量的增加直接導(dǎo)致沖擊載荷的增大。通過(guò)對(duì)不同沖擊質(zhì)量導(dǎo)致的不同沖擊載荷峰值進(jìn)行擬合，得到了一條擬合度R2為0.986的曲線（圖19（b））。更大的沖擊質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生更大的沖擊載荷，對(duì)電池造成更嚴(yán)重的損傷，裂紋的擴(kuò)展深度與所受沖擊載荷強(qiáng)度成正比，沖擊載荷越大，穿透的電芯層數(shù)越多，如圖14（c）和15（c）所示，進(jìn)而導(dǎo)致正負(fù)極有效連接層數(shù)銳減，電壓顯著下降。因此，沖擊質(zhì)量直接影響電池的受損程度。

從沖擊速度的角度分析，沖擊載荷與沖擊速度呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，見(jiàn)圖19（a）。并且硬短路失效時(shí)間與沖擊速度呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)下降的趨勢(shì)，如圖19（c）所示。通過(guò)擬合不同沖擊速度導(dǎo)致的硬短路失效時(shí)間，得到了一條擬合度R2為0.995的曲線。沖擊速度越高，硬短路點(diǎn)的失效越早，導(dǎo)致電壓降更快出現(xiàn)。高速?zèng)_擊迅速破環(huán)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，阻礙了沖擊能量在電池內(nèi)部的傳遞與轉(zhuǎn)化，使得殼體和電芯幾乎同步發(fā)生形變。

4結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)研究了不同沖擊質(zhì)量對(duì)方形鋰離子電池在沖擊載荷下動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)和失效行為的影響，得到了以下主要結(jié)論。

（1）方形鋰離子電池在受到動(dòng)態(tài)沖擊時(shí)，沖擊質(zhì)量和沖擊速度是導(dǎo)致電池失效的2個(gè)關(guān)鍵影響因素。沖擊能量作為包含這2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的物理量，是鋰離子電池碰撞安全閾值的關(guān)鍵參數(shù)，它決定了電池在碰撞中的安全性能，并作為評(píng)估鋰離子電池動(dòng)態(tài)失效的重要判定標(biāo)準(zhǔn)。在確定方形鋰離子電池可承受的沖擊能量閾值時(shí)，必須綜合考量電池的結(jié)構(gòu)特性、尺寸規(guī)格以及電芯材料的異質(zhì)性。

（2）沖擊質(zhì)量是決定鋰離子電池受損傷程度的重要因素。在相同沖擊能量下，低速、大質(zhì)量沖擊對(duì)鋰離子電池造成的破裂損傷明顯重于高速、低質(zhì)量沖擊。沖擊速度恒定時(shí)，沖擊質(zhì)量是決定電池?fù)p傷程度的主導(dǎo)因素。當(dāng)沖擊質(zhì)量較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生更大的沖擊載荷，增大了電芯裂紋的擴(kuò)展深度，導(dǎo)致其功能受損甚至失效。相反，如果沖擊質(zhì)量較小，所產(chǎn)生的沖擊載荷則相對(duì)較小，對(duì)電芯的破壞程度也會(huì)相應(yīng)減輕。因此，沖擊質(zhì)量的大小直接影響鋰離子電池的損傷程度，是評(píng)估其安全性能的關(guān)鍵指標(biāo)。

（3）沖擊速度對(duì)鋰離子電池受損后的電壓降具有顯著影響。特別是加速了硬短路現(xiàn)象的出現(xiàn)，進(jìn)一步加劇了電壓的下降。這一特性使得沖擊速度成為評(píng)估鋰離子電池受損后電壓穩(wěn)定性和整體安全性能的重要考量因素。

（4）在準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)中，擠壓速度的快速提升導(dǎo)致鋰離子電池失效載荷持續(xù)下降，擠壓速度成為影響電池短路失效的決定因素。