在與傳統燃油汽車的競爭中，電動汽車雖然擁有節能環保的優勢，卻也長期面臨著“腿短”的尷尬。為了提升行駛里程，絕大多數電動汽車廠商在動力電池組中都採用了具有高能量密度的鋰離子電池。而高能量勢必帶來碰撞事故中的高風險，國內外數起電動汽車碰撞事故都展示了動力電池組短路起火後帶來的災難性後果。現有的鋰離子動力電池中，作為離子運動介質的電解質是一種高可燃性物質，電池內短路造成的熱效應很容易引發電池的起火燃燒。在碰撞事故中，需要對動力電池在經歷擠壓變形時可能發生的失效短路進行重點防護。遺憾的是，目前學界和工業界對鋰離子動力電池在機械載荷下，特別是衝擊載荷下的變形失效行為還缺乏深入的研究。基於我們現有的實驗結果，可以初步揭示不同條件下鋰離子動力電池力學行為的差異。
我們選取了一款容量為20Ah的鋰離子軟包電池，利用直徑為13mm的沖頭對電池進行穿刺實驗。實驗中，沖頭完全穿刺電池後進行反向運動直到沖頭完全脫離電池，整個過程中同步記錄了電池電壓以及載荷的變化。
實驗1中，採用金屬沖頭進行載入，載入速度5mm/min， 軟包電池在穿刺過程中並未發生明顯的短路現象，直到沖頭開始反向運動時才發生了電壓的陡降。而在沖頭從電池中完全退出之後，電池電壓有一定程度的恢復。實驗2中，同樣的速度採用塑膠沖頭進行載入，整個實驗過程中電池都未出現短路現象。由實驗結可以推知，在穿刺工況下，電池內短路的發生主要是金屬侵入物和電極間的接觸導致。實驗3中，依然採用金屬沖頭，載入速度提高到4.5m/s。在沖頭穿透電池的瞬間，電池即出現了明顯的短路（電壓和載荷在同一時刻出現陡降）。實驗結果表明，在高速載荷下，軟包電池發生短路失效的風險大大增加。
實驗1 金屬沖頭靜態穿刺實驗（綠色虛線處為沖頭反向運動時刻）
實驗2 塑膠沖頭靜態穿刺實驗（綠色虛線處為沖頭反向運動時刻）
實驗3 金屬沖頭動態穿刺實驗（綠色虛線處為沖頭反向運動時刻）
是什麼導致了電池短路行為的差異？我們可以根據電池隔膜的力學性能做出初步的解釋。鋰電池的基本結構是交替佈置的正負電極與隔膜，其中隔膜起到了隔絕正負電極接觸的作用。隔膜的力學性能直接決定了電池的安全性。我們對電池內部的隔膜進行了不同速度下的單向拉伸實驗。實驗結果顯示，相對於脆性的電極材料，隔膜材料具有很大的延伸率。在穿刺過程中，斷口處被充分延展的隔膜材料可以繼續阻隔正負電極、電極與沖頭之間的接觸，防止短路的發生。而在動態載荷下，隔膜展現了明顯的應變率效應，即隨著載入速率的提高，隔膜的韌性逐漸降低。在高速穿刺工況下，隔膜無法充分延展來阻斷短路的發生，軟包電池更易發生短路現象。
上述實驗突顯了隔膜力學性能對動力電池安全性的影響。而要提高鋰離子動力電池的碰撞安全性，還需要對電池內部各組分材料的力學性能以及電池的整體回應等進行全面深入的研究。