在與傳統(tǒng)燃油汽車的競爭中，電動汽車雖然擁有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)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(shù)電動汽車廠商在動力電池組中都采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(fēng)險，國內(nèi)外數(shù)起電動汽車碰撞事故都展示了動力電池組短路起火后帶來的災(zāi)難性后果。現(xiàn)有的鋰離子動力電池中，作為離子運(yùn)動介質(zhì)的電解質(zhì)是一種高可燃性物質(zhì)，電池內(nèi)短路造成的熱效應(yīng)很容易引發(fā)電池的起火燃燒。
在碰撞事故中，需要對動力電池在經(jīng)歷擠壓變形時可能發(fā)生的失效短路進(jìn)行重點防護(hù)。遺憾的是，目前學(xué)界和工業(yè)界對鋰離子動力電池在機(jī)械載荷下，特別是沖擊載荷下的變形失效行為還缺乏深入的研究。基于我們現(xiàn)有的實驗結(jié)果，可以初步揭示不同條件下鋰離子動力電池力學(xué)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(jìn)行穿刺實驗。實驗中，沖頭完全穿刺電池后進(jìn)行反向運(yùn)動直到?jīng)_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，采用金屬沖頭進(jìn)行加載，加載速度5mm/min， 軟包電池在穿刺過程中并未發(fā)生明顯的短路現(xiàn)象，直到?jīng)_頭開始反向運(yùn)動時才發(fā)生了電壓的陡降。而在沖頭從電池中完全退出之后，電池電壓有一定程度的恢復(fù)。
實驗2中，同樣的速度采用塑料沖頭進(jìn)行加載，整個實驗過程中電池都未出現(xiàn)短路現(xiàn)象。由實驗結(jié)可以推知，在穿刺工況下，電池內(nèi)短路的發(fā)生主要是金屬侵入物和電極間的接觸導(dǎo)致。
實驗3中，依然采用金屬沖頭，加載速度提高到4.5m/s。在沖頭穿透電池的瞬間，電池即出現(xiàn)了明顯的短路(電壓和載荷在同一時刻出現(xiàn)陡降)。實驗結(jié)果表明，在高速載荷下，軟包電池發(fā)生短路失效的風(fēng)險大大增加。
實驗1 金屬沖頭靜態(tài)穿刺實驗(綠色虛線處為沖頭反向運(yùn)動時刻)
實驗2 塑料沖頭靜態(tài)穿刺實驗(綠色虛線處為沖頭反向運(yùn)動時刻)
實驗3 金屬沖頭動態(tài)穿刺實驗(綠色虛線處為沖頭反向運(yùn)動時刻)
是什么導(dǎo)致了電池短路行為的差異?我們可以根據(jù)電池隔膜的力學(xué)性能做出初步的解釋。鋰電池的基本結(jié)構(gòu)是交替布置的正負(fù)電極與隔膜，其中隔膜起到了隔絕正負(fù)電極接觸的作用。隔膜的力學(xué)性能直接決定了電池的安全性。我們對電池內(nèi)部的隔膜進(jìn)行了不同速度下的單向拉伸實驗。實驗結(jié)果顯示，相對于脆性的電極材料，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(xù)阻隔正負(fù)電極、電極與沖頭之間的接觸，防止短路的發(fā)生。而在動態(tài)載荷下，隔膜展現(xiàn)了明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，即隨著加載速率的提高，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(fā)生，軟包電池更易發(fā)生短路現(xiàn)象。
上述實驗突顯了隔膜力學(xué)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(nèi)部各組分材料的力學(xué)性能以及電池的整體響應(yīng)等進(jìn)行全面深入的研究。(文/羅海靈 清華大學(xué)汽車工程系博士生)
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