鋰離子電池隔膜沖壓性能的實(shí)驗(yàn)研究

任宇康，鄭 剛，張文武

（湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，湖南 長沙 410082）

1 引言

隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，鋰離子電池的使用量也在迅速增長[1?2]。鋰離子電池在組裝、充放電循環(huán)使用和收到外部撞擊時(shí)，都可能會(huì)發(fā)生受力過大而發(fā)生破裂失效。隔膜的失效會(huì)導(dǎo)致陰極與陽極化學(xué)物質(zhì)的直接接觸，進(jìn)而產(chǎn)生大量的熱，甚至發(fā)生電池自燃等嚴(yán)重后果。所以，鋰電池隔膜必須有一定的機(jī)械強(qiáng)度來確保電池在壽命范圍內(nèi)安全運(yùn)行[3?4]。因此對鋰電池隔膜的機(jī)械完整性進(jìn)行研究就顯得十分有必要。

文獻(xiàn)[5?6]提出了本構(gòu)模型來描述隔膜的機(jī)械性能。隔膜的拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)已經(jīng)進(jìn)行了較為充分的研究[7?9]。鋰離子電池隔膜實(shí)際所處的溶劑環(huán)境也會(huì)對其機(jī)械性能造成一定的影響[10?11]。文獻(xiàn)[12]研究了電池隔膜在動(dòng)態(tài)應(yīng)變率下的各向異性及力學(xué)性能，其中考慮了各向異性及溶劑影響的耦合作用。針對不同的隔膜種類，文獻(xiàn)[13]人重點(diǎn)研究了干法工藝制作的PE隔膜和三層薄膜以及濕法制作的陶瓷涂層薄膜和陶瓷非織造薄膜，并采用了有限元的方法對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行仿真與預(yù)測。文獻(xiàn)[14]利用DIC技術(shù)獲得了隔膜在單軸拉伸條件下的應(yīng)變分布情況。文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)了一個(gè)圓頂測試結(jié)構(gòu)來獲得隔膜在雙軸拉伸條件下的應(yīng)變分布情況，并做了沖孔試驗(yàn)進(jìn)行有限元的仿真與驗(yàn)證。

然而，現(xiàn)階段對隔膜機(jī)械性能的研究主要集中在單軸拉伸，壓縮以及雙軸拉伸，這些力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)獲得的應(yīng)變路徑比較單一，而實(shí)際汽車碰撞中隔膜的受力和發(fā)生的應(yīng)變路徑是很復(fù)雜的。因此，為了探究隔膜在不同應(yīng)變路徑下的力學(xué)響應(yīng)，本文設(shè)計(jì)了不同寬徑比的隔膜試件并對其進(jìn)行了沖壓實(shí)驗(yàn)，同時(shí)利用VIC?3D測量系統(tǒng)對材料變形過程和歷史應(yīng)變進(jìn)行記錄。最后，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果展開了討論。

2 鋰離子電池隔膜沖壓實(shí)驗(yàn)

2.1 沖壓試件準(zhǔn)備

本次實(shí)驗(yàn)采用了干法生產(chǎn)的Celgard2340隔膜來制作試件，該隔膜材料一共有三層，中間層用的是聚乙烯，外兩層用的是聚丙烯，試件的相關(guān)參數(shù)，如表1所示。由于生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，電池隔膜具有非常明顯的各向異性[13]，所以對按照三個(gè)不同方向裁剪隔膜，如圖1所示。為了獲取不同的應(yīng)變路徑，采用了四種不同寬徑比的矩形隔膜試件，試件的寬度范圍為（20~120）mm，如圖2所示。按下表2對試件進(jìn)行編號。為了得到材料在沖壓過程中的全場應(yīng)變，本實(shí)驗(yàn)采用VIC?3D非接觸式應(yīng)變測量系統(tǒng)對材料變形過程進(jìn)行圖像捕捉。

表1 隔膜的材料參數(shù)Tab.1 Properties of Separator

圖1 各項(xiàng)異性示意圖[13]Fig.1 Anisotropic Sketch

圖2 試件尺寸示意圖Fig.2 Diagram of Specimen Size

表2 試件編號Tab.2 Specimen Number

2.2 沖壓裝置

裝置的主體是INSTRON 5894試驗(yàn)機(jī)，沖壓實(shí)驗(yàn)時(shí)與拉伸機(jī)相連的球頭向下移動(dòng)使隔膜試件發(fā)生變形，這種方法與薄板成型實(shí)驗(yàn)的拉深實(shí)驗(yàn)相類似，如圖3所示。將矩形狀的隔膜放置于帶壓邊圈的凹膜和凸模之間，凹模和凸模的開口邊緣和壓邊圈要保證有倒角和平滑。在凹模和凸模之間也放置了橡膠墊來防止隔膜與凹模和凸模直接接觸時(shí)被撕裂。用手?jǐn)Q緊固定法蘭的螺母，以避免對樣品周邊施加過大的壓力。這提供了足夠的力以防止隔膜從上下模具之間被拉出，但要仍然避免過度擰緊。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Experimental Setup

為了減小球頭與隔膜直接接觸時(shí)產(chǎn)生的摩擦，定制了特氟龍球頭[13]，球頭直徑為25.4mm。球頭的移動(dòng)速度始終保持在5mm/min。針對沿三個(gè)不同方向裁剪的隔膜，共做了三組實(shí)驗(yàn)，每組4個(gè)試件，每組試件都涵蓋了不同寬度變化的試件尺寸。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

3.1 沖壓試件的力學(xué)響應(yīng)

這里通過沖壓實(shí)驗(yàn)獲取了沿不同方向裁剪試件的位移?載荷曲線，如圖4所示。圖中沿MD 方向和沿DD 方向裁剪試件的力?位移曲線具有類似的走勢，當(dāng)沖壓的深度較小時(shí)，力?位移大致呈線性關(guān)系，隨著沖壓的深度上升，力?位移逐漸向拋物線關(guān)系轉(zhuǎn)變，而當(dāng)試件的寬度越寬，力?位移曲線的拋物線關(guān)系越明顯。這主要是邊界條件的不同和球頭和試件接觸情況的不同導(dǎo)致的。從圖中可以看出，當(dāng)試件的寬度為20mm時(shí)，沖壓的峰值力和深度是最大的，試件的寬度為120mm時(shí)，沖壓的峰值力和深度是最小的。

圖4 沿不同方向裁剪試件的位移?載荷曲線（a）沿MD方向裁剪試件（b）沿DD方向裁剪試件（c）沿TD方向裁剪試件Fig.4 Force?Displacement Curves for the Specimens Cut in Different Directions（a）in MD Direction（b）in DD Direction（c）in TD Direction

寬度為120mm的試件放在上下兩個(gè)夾具中間時(shí)，由于其寬度超過了壓邊圈的直徑所以四周都會(huì)被固定住，試件的內(nèi)部張力也比較大，在球頭向下移動(dòng)的過程中，與球頭接觸部分試件的應(yīng)力比較大，最先發(fā)生破裂。反之，當(dāng)試件的寬度為20mm的試件放在上下兩個(gè)夾具中間時(shí)，壓邊圈只能固定試件的上下兩個(gè)邊緣部分，試件內(nèi)部的張力比較小，并且試件的寬度比球頭的直徑小，所以在球頭向下移動(dòng)過程中，隔膜可能會(huì)包裹在球頭上，最后發(fā)生破裂。而當(dāng)試件的寬度大于球頭的直徑時(shí)，不會(huì)發(fā)生隔膜完全包裹在球頭上的情況，試件破裂時(shí)的力和位移都大大小于寬度為20mm的隔膜。沿TD方向裁剪的試件則是試件的寬度越大，最后試件破裂時(shí)的位移越小，載荷越大。而無論沿哪個(gè)方向裁剪的試件，其寬度越小，在相同載荷條件下的位移也越大，表明了隔膜的尺寸對其抵抗外界沖擊的能力有一定的影響，這可以為鋰離子電池尺寸設(shè)計(jì)提供一定的參考。

不同寬度的沿不同方向裁剪試件的一系列力?位移曲線，如圖5所示。在四幅圖中，就曲線的曲率而言，沿MD方向裁剪的隔膜曲率最大，沿TD方向裁剪的隔膜次之，沿DD方向裁剪的隔膜曲率最小。這顯示了明顯的各向異性，就彈性模量而言，沿MD方向裁剪的隔膜是最大的，沿TD方向裁剪的隔膜次之，沿DD方向裁剪的隔膜最小[12]。所以，當(dāng)位移相同時(shí)，沿MD方向裁剪的隔膜產(chǎn)生了最大的反作用力，沿TD方向裁剪的隔膜的反作用力次之，沿DD方向裁剪的隔膜反作用力最小。

圖5 不同寬度試件的位移?載荷曲線（a）20mm寬的試件（b）50mm寬的試件（c）75mm寬的試件（d）120mm寬的試件Fig.5 Force?Displacement Curves for the Specimens with Different Widths（a）20mm（b）50mm（c）75mm（d）120mm

在四幅圖中，就最后隔膜被球頭沖破失效的最大位移而言，當(dāng)隔膜試件的寬度較小時(shí)，沿MD方向裁剪的隔膜相對其他兩個(gè)方向裁剪的隔膜試件失效位移是最大的，隨著隔膜試件寬度的增大，沿MD方向裁剪隔膜的失效位移相對其他兩個(gè)方向裁剪的隔膜的失效位移處于中間水平，當(dāng)隔膜試件寬度繼續(xù)增大，沿MD方向裁剪隔膜的失效位移相對其他兩個(gè)方向裁剪的隔膜的失效位移變成了最小的。最后，當(dāng)試件的寬度增加到四周被壓邊圈完全覆蓋時(shí)，試件的各項(xiàng)異性不在力?位移曲線上被體現(xiàn)出來，圖形上只剩一條曲線。由于隔膜在拉伸實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)變路徑與沖壓實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)變路徑并不相同，而應(yīng)變路徑對隔膜的失效應(yīng)變又有很大的影響，所以隔膜在拉伸實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)出來的失效應(yīng)變的不同并不能直接解釋沿不同方向裁剪的隔膜試件因試件寬度的變化而發(fā)生的最后失效位移的相對大小變化。

在四幅圖中，就最后隔膜破裂時(shí)的最大力而言，無論隔膜試件的寬度如何變化，沿MD方向裁剪隔膜的失效力是最大的，沿DD方向裁剪的隔膜的失效力次之，沿TD方向裁剪的隔膜的失效力是最小的，這樣的結(jié)果也是和拉伸實(shí)驗(yàn)[12]中，沿不同方向裁剪的隔膜的失效應(yīng)力是相對應(yīng)的。

3.2 沖壓試件的變形模式分析

SR，定義為次應(yīng)變與主應(yīng)變之比，可以用來衡量沖壓實(shí)驗(yàn)過程中的試件變形模式。為了進(jìn)一步的來探索沖壓實(shí)驗(yàn)過程中的試件變形過程，我們選取了四周完全被固定試件的沖壓實(shí)驗(yàn)過程的整個(gè)應(yīng)變場進(jìn)行分析。圖中依次為試件從沖壓開始時(shí)刻到最后失效破裂前時(shí)刻的全場SR值的分布云圖，如圖6所示。從圖中可以看出，隨著沖壓實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程，SR的云圖逐漸劃分為三個(gè)區(qū)域，三個(gè)區(qū)域分別為區(qū)域I，區(qū)域II，區(qū)域III。其中分布在邊緣部分的是區(qū)域I，SR值大約為（?1~?0.5）之間，表現(xiàn)為典型的剪切變形模式。區(qū)域II為過渡區(qū)域，SR值從外到內(nèi)逐漸增大，大小變化范圍為（?0.3~0.3）左右，變形模式也從剪切變形模式逐漸過渡至雙軸拉伸變形模式。區(qū)域III為試件中心處的“雙橢圓”區(qū)域，SR值也集中在0.5左右，試件的變形模式也為典型的雙軸拉伸變形模式。從沖壓過程中的SR值的云圖變化過程可以看到，沖壓實(shí)驗(yàn)中期云圖紅色區(qū)域呈菱形，這與試件的各項(xiàng)異性有關(guān)，長對角線的方向材料彈性模量小，抵抗變形的能力弱，變形量大，最后的失效應(yīng)力也比較小，最先發(fā)生破裂。

圖6 四周全約束試件全場應(yīng)變分布Fig.6 Full?Field Strain Distribution for the Specimen with Completely Constrained Edges

4 結(jié)論

對一系列不同寬度沿三個(gè)不同方向裁剪的celgard2340隔膜進(jìn)行了沖壓實(shí)驗(yàn)，并利用VIC?3D測量系統(tǒng)對材料變形過程進(jìn)行圖像捕捉。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析了實(shí)驗(yàn)過程中的位移?載荷曲線和變形模式，得到了如下結(jié)論：

（1）沿MD和DD方向裁剪試件的寬度越小，最后破裂失效的峰值力越大，失效的位移也越大。當(dāng)沖壓的深度相同時(shí)，試件的寬度越小，沖壓的力也越小。沿TD 方向裁剪試件的寬度越小，最后破裂失效的峰值力越小，失效的位移也越大。

（2）相同寬度的隔膜，就曲線的曲率而言，沿MD方向裁剪的隔膜最大，沿TD方向裁剪的隔膜次之，沿DD方向裁剪的隔膜最小。沿MD方向裁剪隔膜的失效力是最大的，沿DD方向裁剪的隔膜的失效力次之，沿TD方向裁剪的隔膜的失效力是最小的。

（3）當(dāng)試件四周全被約束時(shí)，試件的邊緣部分主要表現(xiàn)為剪切變形模式，在過渡區(qū)域變形模式從剪切變形模式逐漸過渡至雙軸拉伸變形模式，而在試件的中心區(qū)域變形模式主要為典型的雙軸拉伸變形模式。