大尺寸電池擠壓失效機理研究

隨著特斯拉電動車的日漸普及，使得人們對電動車的認知也發生了翻天覆地的變化。電動車逐漸成為了高端汽車的象征，眾多汽車廠家開發的概念車型正逐漸朝著智能化、電動化的方向進行發展。以特斯拉為例，其搭載的無人駕駛技術，已經能夠實現簡單的駕駛功能，而其洋溢電后行駛里程已足以與汽油車相媲美。特斯拉的電池包是由數千只18650或21700電池包成，單單是電池包管理就是一項巨大的挑戰，為了降低電池包管理的難度，電動車一般采用大容量單體電池，減少電池包內單體電池的數量，從而降低電池包的管理復雜程度，例如一些電動車上甚至采用單體容量50Ah，甚至是100Ah的大容量單體電池。與容量較小的18650/21700電池相比，大容量的單體電池不僅在結構上更加復雜，由于單體電池所包含的能量更大，大容量電池在發生熱失控時電池的行為也與小電池有所區別。因此，為了完善大尺寸電池包的熱管理設計，需要對大容量電池的熱失控行為特點全面而深刻的認識。

對于電動車，安全性是需要優先考慮的因素，特別是在發生碰撞等危險情況時，需要確保駕乘人員的安全，因此需要確保電池包在受到擠壓、針刺等極端情況下不發生起火和爆炸。今天，小編就和各位朋友一起探討大尺寸電池在受到擠壓時的熱行為特點。

隸屬美國國家能源部的橡樹嶺國家試驗室的HsinWang等人對大尺寸的電池在擠壓情況下的熱失控行為特點進行了研究，實驗中采用的電池厚度達到6.5mm，單體容量為25Ah，擠壓探測采用了直徑為1英寸（25.4mm）的不銹鋼球，研究顯示該電池在擠壓深度達到0.25英寸時就會發生熱失控，導致電池起火燃燒，拆解研究顯示，隔膜變薄導致短路時引起熱失控的主因。

該研究顯示單個電池與三個電池疊放在一起對于壓力的應和是十分不同，單個電池對于壓力的載荷vs時間曲線如下圖所示，在開始的10-20s呈現的是非線性應和，隨后出現了一段線性應和，一旦下壓停止，由于電極層的恢復，載荷也隨之緩慢下降。

三只電池疊放在一起的載荷vs時間曲線如下圖所示，從圖上可以看出由于三只電池疊放在一起，提供了很大的緩沖，因此在開始變形量較小時，加在電池上的載荷十分小（<50磅），從Step4開始，變形量達到0.1英寸時，電池才開始萌生較大的線形載荷，同時我們也從兩圖中留意到在相同的變形量下，三只電池疊放在一起時電池受到的載荷分明要小于單只電池受到的載荷。進一步的研究顯示，當三只電池疊放在一起時，電池最大的變形量可以達到單個電池厚度的90%。

通過對擠壓實驗后的電池進行拆解，拆解后的隔膜圖片如下圖所示，從圖上可以看到隨著變形量的增大，隔膜逐漸變薄，同時由于隔膜在橫向和縱向上的強度不同，使得壓痕呈現橢圓形而不是圓形，該結果顯示隔膜變薄可能是導致擠壓實驗中電池短路發生的主要原由。

為了研究造成擠壓實驗中電池短路的原由，HsinWang利用FEM軟件對電池的擠壓造成的熱失控進行了研究。模型分別對單只電池和三只電池疊放在一起的情況進行了研究。HsinWang采用MAT-63材料模型對電極進行了模擬，擠壓球采用了剛性球模型，接觸點則采用了實體接觸模型，摩擦系數為0.3，詳盡模型如下圖所示。

多層電極的特性通過下式，依據正極、負極和隔膜的特性計算而得，其中E和v分別是彈性模量和體積分數。

對擠壓實驗中單個電池和三個電池疊放模型進行模擬的曲線如下圖所示，其中左邊的為單只電池，右邊的為三只電池疊放在一起，從圖上可以看到模擬結果與實驗結果十分接近。由于三只電池疊放在一起，單只電池受到的載荷分明減小。

模型重現了在擠壓實驗過程中短路發生的全過程，首先在擠壓的作用下，隔膜開始發生形變，當隔膜發生足夠大的形變時，隔膜失效，導致正負極之間發生短路接觸，導致起火。研究顯示，隔膜失效的應變可達0.65，這要取決于隔膜的特性。

HsinWang的研究揭示了導致電池在擠壓實驗中失效的主要原由：隔膜變薄，導致正負極接觸。因此防止擠壓導致的短路緊要方向是提高隔膜的性能，在較大的形變下不失效。

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Progressivemechanicalindentationoflarge-formatLi-ioncells,JournalofPowerSource,341(2017),HsinWang,et.al

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