車在江湖，安全第一。作為最引人注目的江湖新秀，電動汽車急需在安全這門武功上給自己加碼。電池包力學模擬模型的開發對未來電動車的碰撞安全性開發起著關鍵性的作用。對鋰電池的組分材料的力學行為研究，旨在為精細化的電池包模型建立基礎。本文將為大家介紹本課題組在鋰電池組分材料上的相關研究。
首先，拆開鋰電池單體，我們將看到如下場景（中間為穿刺試驗留下的穿刺孔）：
圖1. 軟包鋰離子動力電池組成
鋰電池內部電芯由“電極-隔膜-電極”的次序組合堆疊而成，而電極通過在集電器（正極為鋁箔，負極為銅箔）兩側塗覆活性塗層而獲得，這些組分在電解液的浸潤下即組成了完整可用的鋰離子電池單體。
電極的金屬集電器與塗層力學性能差異明顯，因此在精細化建模中需要分別考慮二者的貢獻。單獨對塗層材料進行力學試驗不具備現實條件，因此對正負電極和去除塗層後的集電器進行不同載入速率下的拉伸試驗。
圖2. 電極材料單向拉伸試驗結果
為了直觀地表現塗層對電極的影響，應力計算中集電器厚度與電極厚度統一為集電器厚度。從圖2可以看出，不論是應變率還是塗層的影響都集中在塑性段，塗層一定程度上增強了集電器單向拉伸下的失效載荷；電極去除塗層的過程有可能對電極片造成了損傷，降低了其失效應變，以正極材料尤為顯著；正負極的各向異性都不明顯。綜上所述，對電極的有限元模擬建模，需要考慮到電極的應變率效應以及塗層對金屬集電器帶來的影響。相比於電極材料的拉伸性能，塗層對電極材料力學性能的影響更多地體現在對電極材料和電池單體在壓縮性能上的影響，詳細資訊可關注本課題組羅海靈的相關研究。
對隔膜的力學行為表徵是建立精細化模型的重中之重，隔膜的破裂/失效是觸發電池短路的重要原因。同樣地，對隔膜材料也進行了不同方向不同應變率的載入試驗，同時對隔膜表面進行了顯微掃描，試驗結果如圖3所示，本研究使用的隔膜材料為單層陶瓷塗覆隔膜。與電極材料不同，隔膜材料在拉伸過程中表現出了顯著的各向異性以及覆蓋全應變區間的應變率效應。此外，不同方向的隔膜材料呈現出不同的斷裂模式，其中0°方向呈現出不規則的斷口，45°以及90°試件是直線型斷口。
圖3. 隔膜拉伸試驗結果與掃描試驗結果
隔膜的各向異性☆禁☆行☆禁☆為以及不同的斷裂形式需要從隔膜的製造工藝說起。隔膜主要有幹法和濕法兩種製備工藝，兩種工藝都離不開後期單向或者雙向拉伸對薄膜進行取向處理以形成或者擴大薄膜的微孔，從而實現隔膜在電池內部”電子通道“的功能。從隔膜的顯微圖像可以清晰地看到內部的微孔，同時可以看出隔膜內部主要纖維（圖中較粗部分）呈現一定的取向性排布，而這種取向性排布正是隔膜顯著各向異性的主要原因。
至此，不同方向隔膜斷口形式的不同也得到了解釋，在0°方向的隔膜斷裂有內部主要纖維的斷裂產生，而45°和90°方向的隔膜斷裂由主要纖維的相互分離造成，斷口的取向即為斷裂時隔膜纖維的取向。
對隔膜進行準確的有限元模擬建模，需要綜合考慮隔膜的各向異性、黏彈塑性以及斷裂等行為，本文所述的實驗資料將作為本文作者正在進行的組分材料模擬建模的部分輸入，除此以外還需要通過應力鬆弛等多種試驗提取出更詳盡的隔膜力學表徵參數。
對電池組分材料的試驗與模擬只是建立鋰電池精細化模型的一部分工作，電極材料的複合結構性質以及隔膜材料顯著的各向異性以及粘彈性等性質是建立準確材料模型的難點。此外，本課題組還在積極開展對電池等效力學模型以及電池多物理場耦合等方面的研究，敬請關注！