近日，西北工业大学张超教授&贾亦楷教授在Energy & Environmental Materials上发表题为“Dynamic Multi‐Physics Behaviors and Performance Loss of Cylindrical Batteries Upon Low‐Velocity Impact Loading”的研究型论文。
1. 针对锂电池在实际工况中的的潜在事故场景，设计了一个电学循环-力学冲击-电学循环的加载及测试过程；
2. 表征了冲击能量和荷电状态（SOC）对机械-电化学-热耦合响应的显著影响；
3. 基于落锤冲击试验机建立了一个电池冲击多物理场响应原位监测实验平台；
研究背景
锂离子电池（LIB）因其高能量密度、长循环寿命和高能量转换效率等优点，在电动汽车（EV）、航空和航天等领域得到广泛应用，成为重要的储能设备。然而，在面临挑战的工况条件下，电池可能受到冲击、挤压等机械滥用载荷，导致损伤、失效甚至火灾、爆炸事故。然而，相对于准静态加载，锂电池在冲击载荷下多物理场行为的研究还不够充分详细，尤其是低速冲击下的损伤行为研究更少，实际场景更多为动态加载，然而研究较少，因此，研究 LIB 在机械负载下的安全性能成为 LIB 研究的核心关注点。此外，相对于准静态加载，锂电池在冲击载荷下多物理场损失及失效行为的研究仍不够充分详细，尤其是低速冲击下的损伤行为研究更少。因此，深入探究锂电池在机械负载下的安全性能显得尤为重要。
近日，西北工业大学民航学院/航空学院张超教授团队在EEM发表了有关圆柱锂电池在动态载荷下的多场耦合行为的最新研究进展，研究揭示了圆柱锂电池在动态加载下的损伤行为及机理，分析了冲击能量、初始荷电状态等因素对失效模式和损伤特征的影响。
本文着重关注圆柱形锂电池在电化学循环载荷与低速冲击载荷耦合作用下的损伤和失效行为，并基于试验研究，系统阐述了不同加载条件对电池力学、电化学响应的影响和对应的机理。探讨了低速撞击在电化学循环和动态负载的影响下对锂电池性能和安全性的影响。冲击能量、充电状态 (SOC) 和 C 率等各种条件系统地揭示了机械、电化学和热反应以及损伤行为。研究表明，较高的冲击能量会导致结构刚度、最高温度和最大电压降的增加。此外，冲击能量和 SOC 的增加也会显著影响电化学参数，冲击引起了容量衰减和内阻增加，且较大冲击能量对内阻变化影响显著。SOC增加使容量变化由正变负，内阻变化趋势更加明显。研究方法和实验结果为加强安全设计、进行风险评估以及实现基于锂离子电池的储能系统的级联利用提供了启示。论文的第一作者为西北工业大学民航学院硕士研究生黄庆丹，通讯作者为西北工业大学民航学院/航空学院张超教授和民航学院贾亦楷教授。
本文以18650三元锂电池为研究对象，基于多物理实验系统开展了圆柱锂电池在低速冲击载荷下的力-电-热耦合行为的试验研究，冲击试验前后均进行了20次的循环充放电测试，分别在开始循环前、加载前、加载后、最后循环后分别进行了四次电池内阻测试，采用混合功率脉冲特性（Hybrid Pulse Power Characterization , HPPC）测试，如图1所示。动态冲击试验在深圳万测落锤冲击试验机上进行，使用圆柱形压痕冲头进行冲击，冲击过程中对力、电、热多物理场进行实时监测，如图2所示：
图 2. 落锤低速冲击试验的多物理量监测平台
在机械冲击加载开始时（以SOC=0.75、10 J冲击为例），加载位移和力均立即增加（图3）。随着加载进行，电池外壳表面出现了明显的凹痕，并逐渐加深，冲击力首先达到了峰值，随后凹痕处的位移达到最大值。同时，电压开始下降。这是因为电池受到挤压，可能导致隔膜变形或破裂，进而引发ISC（内短路）并导致电压降低。红外热像图显示，ISC发生在加载点（凹痕区域）。温度峰值明显滞后于其他信号，表明焦耳热传播到达电池外壳表面需要一定时间。卸载时，力逐渐减小，但由于电池的塑性变形，位移未完全恢复。电压回复逐渐接近其初始值，说明软短路的出现。
图3. 电池在低速冲击下的力-电-热耦合行为典型结果
通过数采实时监测电压信号的实验结果显示，在高冲击能量下，电响应存在显著差异：1）电压变化速度更快；2）最大压降更为显著；3）电压恢复速度更慢（见图4）。这一现象可以归因于较大的冲击能量对应着更高的加载速度，意味着更早达到短路临界位移，从而加速ISC的发生。同时，内部组件的结构变形增加，扩大了阴极和阳极之间的接触面积，导致短路电阻减小，从而产生更大的压降和更慢的恢复速度。
图4.电池SOC=0.75时不同冲击能量下的电响应
通过冲击引起的容量变化和容量衰减速率的研究表明，冲击能量对容量衰减影响不大，但SOC水平有显著影响（见图5a）。在低SOC下，容量增加，而在高SOC下，容量减少。冲击可能导致活性颗粒脱落，引起部分活性材料损伤和轻微ISC。在内阻方面，冲击后内阻普遍下降，且更大的冲击能量导致变化更为显著（图 5b）。在高SOC下，电极刚度增加，易产生裂纹和新的接触，从而影响内阻。在不同C倍率下的比较表明，在1C下内阻减小的趋势更明显，可能是由于在低C倍率（1 C）下，SEI膜的生长相对较慢且较薄，充放电循环引起的内部机械应变和裂纹需要更多的SEI膜来稳定，从而导致内阻减小。示意图如图5c所示。
图5. (a)电池冲击后容量变化量；(b)电池冲击时刻内阻变化量；(c) 不同C速率下SEI薄膜变形和断裂导致的电导率变化
本文着重关注圆柱形锂电池在电化学循环载荷与低速冲击载荷耦合作用下的损伤和失效行为，并基于试验研究，系统阐述了不同加载条件对电池力学、电化学响应的影响和对应的机理。探讨了低速撞击在电化学循环和动态负载的影响下对锂电池性能和安全性的影响。冲击能量、充电状态 (SOC) 和 C 率等各种条件系统地揭示了机械、电化学和热反应以及损伤行为。研究表明，较高的冲击能量会导致结构刚度、最高温度和最大电压降的增加。此外，冲击能量和 SOC 的增加也会显著影响电化学参数，冲击引起了容量衰减和内阻增加，且较大冲击能量对内阻变化影响显著。SOC增加使容量变化由正变负，内阻变化趋势更加明显。研究方法和实验结果为加强安全设计、进行风险评估以及实现基于锂离子电池的储能系统的级联利用提供了启示。
Qingdan Huang, Yang Bai, Han Luo, Yikai Jia*, Chao Zhang*, Dynamic Multi-Physics Behaviors and Performance Loss of Cylindrical Batteries Upon Low-Velocity Impact Loading. Energy Environ. Mater. 2024. DOI: 10.1002/eem2.12771
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.12771
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(简称EEM，中文名：能源与环境材料)是由郑州大学出版的国内外公开发行的英文期刊，主要报道能源捕获、转换、储存和传输材料以及洁净环境材料领域的高水平研究成果。EEM为材料、化学、物理、医学及工程等多学科及交叉学科的研究者提供交流平台，激发新火花、提出新概念、发展新技术、推进新政策，共同致力于清洁、环境友好的能源材料研发，促进人类社会可持续健康发展。
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