軸向壓縮下圓柱形動力鋰離子電池的性能

李 夢，柳小偉，張 舒，宋 輝，王根偉，王 彬

（1.太原理工大學機械與運載工程學院應用力學研究所，山西 太原 030024；2.材料強度與結構沖擊山西省重點實驗室，山西 太原 030024；3.倫敦布魯內爾大學機械與航空工程系，英國 倫敦UB83PH）

21世紀以來，隨著工業(yè)技術的不斷進步以及人民生活質量的不斷提高，環(huán)境污染問題日益突出。為了緩解環(huán)境污染問題，多個國家將傳統(tǒng)燃油車禁售列為未來計劃提上日程[1]。我國制訂了多項政策支持新能源汽車的發(fā)展。2018年6月，國務院印發(fā)了《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》[2]，提出2020年底重點區(qū)域城市的公交車全部更換為新能源汽車。我國《新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021－2035年）》[3]進一步提出：2025年新能源汽車新車銷售量計劃達到汽車新車銷售總量的20%左右，2035年純電動汽車將成為新銷售車輛的主流。在政策推動下，純電動汽車的銷量持續(xù)增加，截至2019年底，全國純電動汽車的保有量達310萬輛[4]。

然而，近年來，發(fā)生了多起因機械碰撞引發(fā)的電動汽車事故，引發(fā)了人們對電動汽車安全的擔憂。動力電池系統(tǒng)的安全是電動汽車安全的重要決定性因素之一。在電池系統(tǒng)裝配中，圓柱形電池單體一般是豎直放置、水平堆疊組成模組，這種獨特的排布方式使得電池承受著比較復雜的載荷工況。國外曾有因受到地面異物向上撞擊導致電池發(fā)生軸向擠壓破壞而引發(fā)電動汽車起火爆炸的先例。

國內外學者針對電池機械濫用方面做了很多工作。在電池軸向壓縮方面，Xia 等[5]等對美國電動汽車底部因異物碰撞而導致的電池火災事故進行了建模分析，并用LS-DYNA 軟件建立了電池模型，研究了不同形狀壓頭在軸向加載時電池的變形以及可能的失效模式。Zhu 等[6]進行了荷電狀態(tài)（State of charge，SOC）為零的18650鋰離子電池的軸向壓縮實驗，發(fā)現(xiàn)電池在短路前的載荷-位移曲線存在緩慢上升、快速上升、輕微下降和再次快速上升4個階段。他們用有限元模擬揭示其變形過程，并結合CT 掃描對模擬結果進行了驗證，發(fā)現(xiàn)大部分的變形都發(fā)生在電池的頂部，而電池底部幾乎沒有變形。楊威[7]通過對軟包電池從長度、寬度和厚度3 個方向進行加載來研究加載方向對電池壓縮性能的影響，發(fā)現(xiàn)電池在3個方向的機械強度明顯不同，電池厚度方向的強度遠遠大于長度和寬度方向，這是因為疊層式軟包電池在厚度方向上的擠壓會發(fā)生壓實和塑性硬化，而長度和寬度方向上的擠壓容易使電池內芯產生分層屈曲。

與軸向壓縮相比，對電池徑向壓縮的研究較多，包括電池的荷電狀態(tài)、健康狀態(tài)、加載形式、加載速率等對電池性能的影響，對于方形和軟包電池力學性能的研究也有一些成果。Xu 等[8]以18650圓柱形鋰離子電池為研究對象，研究了準靜態(tài)工況下電池的SOC對力學性能的影響，建立了耦合SOC電池計算模型[9]，結果表明電池的力學性能高度依賴于其SOC，進一步研究發(fā)現(xiàn)隨著電池健康狀態(tài)的降低，會弱化SOC對其力學性能的影響[10]。Hao等[11]利用聲發(fā)射技術研究了圓柱形鋰離子電池在三點彎曲下的失效過程。Dixon 等[12]選用SOC為零的軟包電池作為研究對象，研究了電解液、壓痕位置、加載速率對電池力學響應的影響，發(fā)現(xiàn)與干電池相比，有電解液的軟包電池具有較低的載荷且更容易變形。Gao等[13–14]、張曉婷[15]先后研究了輕微過充、循環(huán)充放電以及低溫充電對受平板壓縮的鋰離子電池性能的影響，發(fā)現(xiàn)輕微過充對電池的熱失控影響不大，低溫充電會使電池的壓潰應力降低。電動車機械碰撞事故中，電池受動態(tài)載荷破壞，應變率影響不可忽視。Kisters等[16]進行了軟包電池和橢圓形電池動態(tài)濫用試驗，發(fā)現(xiàn)橢圓形電池的臨界載荷隨著加載速度的增加而增加，而軟包電池則降低；同時還研究了電解液對橢圓形電池性能的影響，發(fā)現(xiàn)速度越高，干電池的壓痕越深，但載荷-位移曲線的斜率沒有太大變化；隨著加載速度增加，濕電池的失效壓痕深度減小，載荷-位移曲線的斜率增加。Xia 等[17]研究了沖擊速度和方向對電池模組力學響應的影響，其在Z方向（厚度方向）的承載高于其他兩個方向，且其熱失控程度比其他兩個方向劇烈。Zhu 等[18]研究了干、濕兩種鋰離子軟包電池樣品在不同加載速度下的壓縮響應，認為濕電池的應變率效應很大程度上來自于電解質。

本研究將從實驗角度測試18650鋰離子電池在軸向壓縮載荷下的安全性能，研究電池在軸向壓縮工況下的失效過程，分析鋰離子電池在軸向壓縮過程中載荷、溫度與電壓的變化特點；分別選取SOC為60%、80%和100%的鋰離子電池，探究SOC對鋰離子電池力學性能的影響；最后比較徑向平板壓縮和軸向壓縮兩種加載條件下電池熱失控的劇烈程度，為電池安全設計與防護提供參考。

1 實驗方法

選擇商用18650三元NCM 鋰離子動力電池，標稱容量為2500 mAh，其直徑為18 mm，長度為65 mm。圓柱形電池按照隔膜、負極片、隔膜、正極片的順序排列卷繞，圖1給出了電池的軸向和徑向計算機斷層掃描（CT）圖像。其中，隔膜是由聚合物材料制成的薄膜，厚度約為20μm，能隔離正負極從而避免短路；正極片由正極涂層和鋁箔層疊組成，正極片厚度為167μm，鋁箔厚度為20μm；負極片由負極涂層和銅箔層疊組成，負極片厚度為150μm，銅箔厚度為8μm。包裹電芯的最外層硬殼為不銹鋼殼體，能夠保護電芯。

圖1 18650鋰離子電池的CT 圖像Fig.1 CT image of 18650 lithium-ion battery

為探究SOC對軸向壓縮電池安全性能的影響，實驗電池選用3種SOC：60%、80%和100%。其中，SOC為60%、80%的電池各選取5節(jié)，SOC為100%的電池選取9節(jié)。在軸向壓縮實驗中，先采取恒流-恒壓的模式將電池充電至實驗設定的容量（60%、80%和100%），然后進行壓縮實驗。在充放電時常用充放電倍率來表示電流大小，充放電倍率等于充放電電流除以額定容量，該實驗中充放電電流設置為500 mA，即充放電倍率為0.2 C。具體充放電方案如下：首先電池以0.2 C的恒流方式充電，該階段的截止條件為電壓達到4.2 V；再以4.2 V 的恒壓方式充電，該階段的截止條件為電流降至0.02 C；然后以0.2 C的速率進入恒流放電階段，電壓降至2.75 V 作為該階段的截止條件；靜置1 min，最后以恒流-恒壓模式充至設定的容量。

在軸向壓縮實驗過程中，利用萬能材料試驗機（型號為萬測ETM 105D）記錄載荷的變化，通過數字示波器（型號為Tektronix TDS 2024C）記錄電壓的變化，通過紅外熱像儀（型號Yoseex X640A600MF25）記錄電池表面溫度的變化。

2 實驗結果與分析

2.1 加載速度對電池力學性能的影響

電動汽車行駛速度通常不超過120 km/h，圓柱形電池以豎直方式放置，在行駛過程中當汽車底盤受到撞擊時，其在軸向的加載速度遠小于車輛的行駛速度。

以2、4、6和8 mm/min 4種加載速度加載SOC為100%的電池，其載荷-位移曲線如圖2所示?？梢钥吹剑诩虞d速度范圍內，隨著位移增大，載荷上升階段的變化趨勢一致，沒有明顯的應變率效應。后續(xù)實驗均采用8 mm/min 作為加載速度。

圖2 不同加載速度下100% SOC電池的載荷-位移曲線Fig.2 Load-displacement curves of 100% SOC battery atdifferent loading speeds

由于電芯的正負極材料和隔膜均為多孔材料，電池在徑向壓縮過程中的載荷-位移曲線具有典型的多孔材料特征，因此可將電池內芯視為多孔材料處理，整個電池可以近似看作內嵌泡沫的圓柱殼。黃睿[19]研究了在準靜態(tài)軸向壓縮和軸向沖擊兩種工況下圓管填充泡沫鋁的失效模態(tài)，發(fā)現(xiàn)兩種工況下均發(fā)生了圓環(huán)變形模式褶皺，因此可以推測軸向沖擊下電池發(fā)生了多層褶皺。由于存在正極帽且電池內部不是完全軸對稱，所以不易出現(xiàn)文獻[19]中的整體漸進屈曲，而是在發(fā)生了若干個環(huán)向褶皺后出現(xiàn)局部撕裂。

動力電池在高速沖擊下的力學響應可以采用Zhao[20]提出的用于理想剛塑性結構動態(tài)塑性響應的無量綱數-響應數Rn(n)描述

式中： ρ為材料密度，v0為沖擊速度， σ0為材料的屈服應力，L為梁或板的半長，H為梁或板的厚度。在方形鋰離子電池承受沖擊加載的工況中，可用式（1）求得響應數作為失效判據。對于圓柱形電池，可用沖擊物的半徑R代替L，式（1）變?yōu)?/p>

通過式（2）求得圓柱形鋰離子電池受沖擊時的響應數，同樣可將其作為失效判據。

2.2 軸向壓縮下電池載荷、電壓和溫度的變化

如圖3所示，以100%SOC電池為例對軸向壓縮下電池的載荷、電壓和溫度的變化進行分析。將電池的壓縮量與原始長度之比記作壓縮比。從圖3中電池單體的載荷-位移曲線可以看到，在加載初期，載荷隨位移不斷增大而緩慢上升，在載荷達到1.8 kN 左右時，電池高度被壓縮了約2.2 mm（壓縮比為3.4%）；隨后載荷隨位移增大的變化加快，直到載荷達到9.5 kN 時，為第1個峰值載荷，此時的壓縮位移約為5.4 mm （壓縮比為8.3%）；當壓縮位移在5.5～5.9 mm（壓縮比為8.3%～9.1%）時，載荷略微下降；當壓縮位移大于5.9 mm（壓縮比為9.1%）之后，載荷再次持續(xù)上升，直至載荷達到最大值，最大載荷約為10.6 kN，這時的壓縮位移大約為7.2 mm（壓縮比為11.1%）；最后載荷進入下降階段。

電壓在加載過程中的變化與載荷息息相關。從圖3中的電壓-位移曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著載荷增加，電壓會出現(xiàn)臺階式下降。首次電壓下降發(fā)生在壓縮位移為5.4 mm （壓縮比為8.3%）附近，電壓下降至2.3 V 左右，出現(xiàn)短暫的電壓平臺；之后電壓再次發(fā)生臺階式下降，且最后一次臺階下降對應的位移幾乎和最大載荷對應的位移一致。載荷達到最大值時，電壓并沒有立刻降為零，而是經過了一個緩慢的下降過程。

圖3 100% SOC電池的載荷、電壓、溫度-位移曲線Fig.3 Load-,voltage-and temperature-displacement curvesof the 100%SOC battery

綜合分析溫度-位移曲線，在壓縮位移為5.6 mm（壓縮比為8.6%）時，電池溫度初次上升至52℃，這是由于此時電壓第一次下降，電池內部發(fā)生了輕微短路，溫升略晚于短路的發(fā)生；隨著軸向加載繼續(xù)進行，當壓縮位移在7.0～8.3 mm（壓縮比為10.8%～12.8%）之間時，溫度略下降；當壓縮位移約為8.3 mm（壓縮比為12.8%）時，溫度驟升，最高達到118℃。溫度-位移曲線出現(xiàn)了多個毛刺現(xiàn)象，這主要是由于電池在壓縮變形至7 mm（壓縮比為10.8%）左右時，靠近正極端側面發(fā)生破裂，電池內部熱量不連續(xù)地從破裂處噴出，而不是一次性噴出。

2.3 SOC對軸向壓縮電池安全性能的影響

為了研究準靜態(tài)工況下軸向壓縮響應是否與電池的SOC有關，進一步檢測了60%和80%SOC電池的載荷、電壓、溫度-位移曲線，如圖4所示。結合圖3、圖4可以發(fā)現(xiàn)，不同SOC電池的載荷-位移曲線的趨勢基本相同；不同SOC電池的電壓-位移曲線均出現(xiàn)了臺階式下降現(xiàn)象；60%和80%SOC電池的溫度-位移曲線出現(xiàn)了很多“毛刺”，同樣是由于電池短路時電池外殼的側面發(fā)生破裂時電池內部的熱量間斷向外噴出導致的。

圖 4 60%和80% SOC電池的載荷、電壓、溫度-位移曲線Fig. 4 Load-，voltage-and temperature-displacement curvesof 60%and 80%SOC battery

若將載荷的最大值定義為電池在軸向壓縮下的極限載荷，則隨著SOC的增大，電池的極限載荷略微增大，如圖5所示。電池失效后達到的最高溫度大部分集中在90～120℃范圍內，只有100%SOC電池的最高溫度達到了180℃，如圖6所示。

圖5 不同SOC 電池的峰值力Fig.5 Peak force of batteries with different SOCs

圖6 不同SOC 電池的最高溫度Fig.6 Maximum temperature of batteries with different SOCs

2.4 軸向壓縮下電池的失效過程

如圖7所示，以100%SOC電池為例，結合紅外熱像儀和照相機觀察軸向壓縮過程中電池的失效過程，其載荷、溫度隨位移的變化曲線可以劃分成5個階段：緩慢上升階段（階段Ⅰ）、快速上升階段（階段Ⅱ）、略微下降階段或類平臺階段（階段Ⅲ）、二次快速上升階段（階段Ⅳ）以及快速下降階段（階段Ⅴ），與Zhu 等[6]的實驗結果類似。圖1(a)顯示了電池的正極帽、負極端與電芯之間均有間隙。正極帽的凹槽部位是受力的薄弱部位，在加載初期（緩慢上升階段），正極帽與電芯之間的初始間隙被壓縮，凹槽的上下邊發(fā)生接觸；快速上升階段至二次快速上升階段，在凹槽與電芯剛接觸時，電芯可看作以壓痕形式受力，隨著加載不斷增強，接觸面積不斷增大，電池的短路面積也不斷增大，這與電壓的臺階式下降現(xiàn)象吻合；快速下降階段時，電池的電壓已降至低于1 V，這時載荷隨位移的增加而下降，短路后的電池內部不斷積聚熱量，電池內部的壓強不斷升高，電池的內部結構大面積被破壞，靠近正極的側表面發(fā)生明顯的局部褶皺并最終在內壓和外載的共同作用下發(fā)生破裂。在軸向壓縮過程中，電池電壓出現(xiàn)了臺階式下降現(xiàn)象，這與圖8所示的電池變形過程中漸進式破壞有關。

圖7 100% SOC電池的載荷、溫度-位移曲線Fig.7 Load-,temperature-displacement curvesof the 100%SOC battery

結合紅外溫度成像結果和實物照片可以看出，當壓縮位移在3.0 mm（壓縮比為4.6%）以內時，電池變形主要集中在凹槽處，電池溫度幾乎不變，如圖8(a)所示；當壓縮位移約為5.3 mm（壓縮比為8.1%）時，電池正極附近側面出現(xiàn)了第1 個環(huán)形褶皺，此時溫度變化可以忽略不計，如圖8(b)所示；當壓縮位移達到6.1 mm（壓縮比為9.3%）左右時，電池側面在第1個褶皺下面形成第2個環(huán)形褶皺，同時紅外溫度成像結果顯示此時電池正負極端的溫度高于電池其他部位，說明短路首先從正負極開始，正極溫度更高說明其短路更明顯，如圖8(c)所示；當壓縮位移增至6.3 mm（壓縮比為9.7%）時，電池的最高溫度達到56.4℃，紅外成像顯示此時電池正極端側面出現(xiàn)了1條明亮的高溫帶，第2個環(huán)形褶皺的變形程度加深，如圖8(d)所示；隨著電池溫度不斷上升，該高溫帶從正極向負極迅速擴展，擴展至電池軸向長度約3/4處時，最高溫度達到74℃，如圖8(e)所示；當最高溫度升至102℃時，電池側面破裂，向外噴出熱氣，溫度略有上升，如圖8(f)所示；當電池向外噴出熱氣后，高溫帶延伸至負極，如圖8(g)所示；圖8(h)為破壞后的電池實物，可以清晰地看到電池靠近正極處的外殼破裂且有電芯向外凸出。

與圖8(h)類似，實驗中所有的電池均產生了多層褶皺，內部物質暴露，破裂位置均靠近正極。如圖9所示，電池正極蓋帽位置附近的環(huán)形凹槽結構是電池受力的薄弱部位，該結構可能是電池破壞從靠近正極位置開始的誘因。

圖8 軸向壓縮過程中的電池及其紅外成像(a)～(g)以及破壞后的電池實物(h)Fig.8 Infrared images and photos of the battery during axial compression (a)–(g)and the battery after destruction (h)

圖9 18650鋰離子電池正極端（a）及CT 圖像（b）Fig.9 Positive electrode of 18650 lithium-ion battery (a) and CT image(b)

2.5 電池的軸向壓縮與徑向平板壓縮的比較

與文獻[21]中的徑向平板壓縮實驗比較發(fā)現(xiàn)，80%SOC鋰離子電池在徑向平板壓縮中均發(fā)生了起火爆炸劇烈熱失控現(xiàn)象，而軸向壓縮下的鋰離子電池失效時相對溫和。電池破壞產生的溫升也遠低于徑向壓縮工況，軸向壓縮失效電池的最高溫度多處于90～120℃，而徑向壓縮發(fā)生熱失控后的最高溫度達到300 ℃以上；徑向平板壓縮時電池的極限載荷大于40 kN，而軸向壓縮電池的極限載荷在10～12 kN范圍內；徑向平板壓縮電池的電壓幾乎是一次性突降，而軸向壓縮電池的電壓呈臺階式下降。

3 結 論

分別選取SOC為60%、80%和100%的18650三元鋰離子動力電池進行軸向壓縮實驗，同步記錄了載荷、電壓和溫度的變化，分析電池失效時載荷、電壓和溫度之間的聯(lián)系，討論了SOC對電池安全性能的影響，并與徑向平板壓縮電池對比，得到以下主要結論。

（1）在本研究的SOC取值范圍內，在軸向壓縮過程中動力電池的電壓均出現(xiàn)臺階式下降，直至完全短路。電壓首次下降發(fā)生在載荷達到首次峰值或平臺之后，最大峰值載荷與溫度驟升幾乎同時發(fā)生。峰值載荷隨著SOC增大而略微增大。

（2）軸向壓縮載荷下電池的失效形式均為側面首先發(fā)生環(huán)形褶皺，進而發(fā)生破裂，破裂的位置均靠近正極。正極端的凹槽結構會誘發(fā)電池在軸向壓縮下從靠近正極處開始破壞。

（3）軸向壓縮下電池的熱失控程度比徑向平板壓縮時溫和；徑向平板壓縮電池的極限載荷遠大于軸向壓縮的極限載荷；軸向壓縮時電池的電壓呈臺階式下降，而徑向平板壓縮電池的電壓未出現(xiàn)該現(xiàn)象。