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圓柱形鋰電池受側(cè)向沖擊的結(jié)構(gòu)分析和試驗(yàn)研究
任何能量存儲系統(tǒng)(包括電池)設(shè)計的關(guān)鍵是對其安全性的設(shè)計,因而為提高鋰離子電池在汽車上的應(yīng)用,需要對其在極端負(fù)荷條件下的力學(xué)特性(如機(jī)械沖擊特性)進(jìn)行研究。目前,對鋰電池沖擊特性的研究主要集中于對平面屬性的研究,且沒有考慮電池內(nèi)部未粘合的陽極、陰極及其之間隔膜的滑移。以汽車常用的圓柱形鋰離子電池為例,研究電池受沖擊尤其是側(cè)向沖擊的機(jī)械響應(yīng)。
首先建立圓柱形鋰電池內(nèi)部活性材料的均質(zhì)模型。以江森自控制造的6P圓柱形鋰離子電池為試驗(yàn)對象。該圓柱形電池由4個主要機(jī)械部件組成:內(nèi)部活性材料、空心鋁管、鋁外殼和聚醚酰亞胺纖維隔板。由于內(nèi)部活性材料由多層(陽極、陰極和隔膜)不同物質(zhì)構(gòu)成,因而其是非線性的,文中將內(nèi)部活性材料假設(shè)為各項(xiàng)同性材料。為了建立內(nèi)部活性材料的均質(zhì)模型,對其進(jìn)行非沿軸向的直接沖擊試驗(yàn),并利用商業(yè)化軟件對內(nèi)部活性材料進(jìn)行均質(zhì)化模擬。直接沖擊試驗(yàn)主要進(jìn)行了橫向沖擊試驗(yàn),這是由于汽車上圓柱形鋰電池多為垂直放置。汽車發(fā)生碰撞時,電池受橫向沖擊的影響較大。試驗(yàn)所用鋰電池為干電池,因其內(nèi)部沒有電解質(zhì)溶液,因而排除了爆炸和點(diǎn)燃的可能性。試驗(yàn)使用一個2.8m的跌落試驗(yàn)裝置,使用落錘引導(dǎo)鋰電池下落路徑并增加沖擊,采用的兩個落錘質(zhì)量分別為11.34kg和22.68kg,并利用高速拍攝相機(jī)記錄跌路過程。鋰電池跌落過程中,會出現(xiàn)保護(hù)裝置失效和嚴(yán)重變形引起的外部電路短路等情況。分析鋰電池內(nèi)部活性材料的形變,給出應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,建立活性材料的均質(zhì)模型。將獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線納入到建立的鋰電池顯式有限元模型中,模擬沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)和模擬結(jié)果表明,給出的均質(zhì)模型可以精確描述電池內(nèi)部活性材料的機(jī)械特性。文中只針對單個鋰電池進(jìn)行了分析,可利用有限元軟件對整個電池組的側(cè)向沖擊響應(yīng)進(jìn)行分析,以改善電池安全性的設(shè)計。
刊名:Journal of Power Sources(英)
刊期:2014年第271期
作者:Ilya Avdeev
編譯:陳丁躍