1、引言

鋰離子電池（LIB）因其高能量密度、長循環壽命和高能量轉換效率等優點，在電動汽車（EV）、航空和航天等領域得到廣泛應用，成為重要的儲能設備。然而，在面臨挑戰的工況條件下，電池可能受到沖擊、擠壓等機械濫用載荷，導致損傷、失效甚至火災、爆炸事故。因此，研究 LIB 在機械負載下的安全性能成為 LIB 研究的核心關注點。此外，相對于準靜態加載，鋰電池在沖擊載荷下多物理場行為的研究仍不夠充分詳細，尤其是低速沖擊下的損傷行為研究更少。因此，深入探究鋰電池在機械負載下的安全性能顯得尤為重要。

近日，能源與環境領域知名期刊《Energy & Environmental Materials，簡稱EEM》在線發表了西北工業大學民航學院/航空學院張超教授團隊有關圓柱鋰電池在動態載荷下的多場耦合失效機理行為的最新研究進展，揭示了圓柱鋰電池在動態加載下的損傷行為和失效機理，分析了沖擊能量、沖擊時刻荷電狀態等因素對圓柱鋰電池失效模式和損傷程度的影響，論文題目為“Dynamic multi-physics behaviors and performance loss of cylindrical batteries upon low-velocity impact loading”。論文的第一作者為西北工業大學民航學院碩士研究生黃慶丹，通訊作者為西北工業大學民航學院/航空學院張超教授和民航學院賈亦楷教授。   

圖1 論文發表情況

2、內容簡介

本文以18650三元鋰電池為研究對象，基于多物理實驗系統開展了18650圓柱鋰電池在低速沖擊載荷下的力-電-熱耦合行為的試驗研究，沖擊試驗前后均進行了20次的循環充放電測試，還分別在開始循環前、加載前、加載后、最后循環后分別進行了四次電池內阻測試，其中內阻測試采取的方法是混合功率脈沖特性（Hybrid Pulse Power Characterization , HPPC）測試，如圖2所示。動態沖擊試驗是在深圳萬測落錘沖擊試驗機上開展的，使用圓柱形壓痕沖頭進行沖擊，沖擊過程通過力、電、熱多物理場進行實時監測，如圖3所示。

圖2  (a)電池樣品；(b)不同C率下的充放電測試曲；(c)不同C率下的SOH-循環次數曲線；(d) HPPC測試的典型流程和關鍵點

圖3 落錘低速沖擊試驗的多物理量監測平臺

在機械沖擊加載開始時（以SOC=0.75、10 J沖擊為例），加載位移和力均立即增加（圖4）。在加載進行過程中，電池外殼表面出現了明顯的凹痕，并隨著加載的進行而加深。先是力達到了峰值，其次是凹痕處的位移達到了最大值。與此同時，電壓開始下降。這是因為電池受到擠壓，因此隔膜可能出現變形或破裂，從而導致ISC（內短路）和電壓降低。紅外熱像圖說明ISC在加載點（凹痕周圍）的發生。溫度峰值明顯滯后于其他信號，反映了焦耳熱傳播到達電池外殼表面所需一定時間。最后隨著卸載，力逐漸減小，由于電池的塑性變形，位移未完全恢復。電壓回復逐漸接近其初始值，說明伴隨著軟短路的出現。   

圖4 電池在低速沖擊下的力-電-熱耦合行為典型結果

通過數采實時監測電壓信號的實驗結果顯示，在高沖擊能量下，電響應存在顯著差異：1）電壓變化更快；2）最大壓降更為顯著；3）電壓恢復速度更為緩慢（見圖5）。這種現象可以歸因于較大的沖擊能量對應著更高的加載速度，意味著更早達到短路臨界位移，進而加速了ISC現象的發生。同時，內部組件的結構變形增加，擴大了陰極和陽極之間的接觸面積，導致短路電阻減小，從而產生更大的壓降和更慢的恢復速度。   

圖5 電池SOC=0.75時不同沖擊能量下的電響應

通過沖擊引起的容量變化和容量衰減速率的研究表明，沖擊能量對容量衰減影響不大，但SOC水平有顯著影響（見圖6a）。在低SOC下，容量增加，而在高SOC下則減少。沖擊可能導致活性顆粒脫落，引起部分活性材料損傷和輕微ISC。內阻方面，沖擊后內阻普遍下降，且更大的沖擊能量導致更顯著的變化（圖 6b）。在高SOC下，電極剛度增加，易導致裂紋和新接觸，進而影響內阻。在不同C倍率下的比較表明，在1C下內阻減小趨勢更明顯，可能因為在低C倍率（1 C）下，SEI膜的生長相對較慢較薄，充放電循環引起的內部機械應變和裂紋需要更多SEI膜來穩定，導致內阻減小。示意圖如圖6c所示。

圖6  (a)電池沖擊后容量變化量；(b)電池沖擊時刻內阻變化量；(c) 不同C速率下SEI薄膜變形和斷裂導致的電導率變化

3、小結

本文著重關注圓柱形鋰電池在電化學循環載荷與低速沖擊載荷耦合作用下的損傷和失效行為，并基于試驗研究，系統闡述了不同加載條件對電池力學、電化學響應的影響和對應的機理。實驗部分，探討了低速撞擊在電化學循環和動態負載的影響下對鋰電池性能和安全性的影響。沖擊能量、充電狀態 (SOC) 和 C 率等各種條件系統地揭示了機械、電化學和熱反應以及損壞行為。研究表明，較高的沖擊能量會導致結構剛度、最高溫度和最大電壓降的增加。此外，沖擊能量和 SOC 的增加也會顯著影響電化學參數，包括充電容量和內阻。研究方法和實驗結果為加強安全設計、進行風險評估以及實現基于鋰離子電池的儲能系統的級聯利用提供了啟示。

原始文獻：

Huang, Q., Bai, Y., Luo, H., Jia, Y. and Zhang, C. (2024), Dynamic Multi-Physics Behaviors and Performance Loss of Cylindrical Batteries Upon Low-Velocity Impact Loading. Energy Environ. Mater. e12771.    

原文鏈接：

http://doi.org/10.1002/eem2.12771