探究锂电池碰撞安全
2016-09-12
 
 
凭借能量密度高、寿命长、电压稳定和绿色环保的优点,锂电池已经成为汽车工业的使用主流。但过热、起火和爆炸等潜在安全隐患制约着锂电池的进一步发展。迫切的工业和社会需求使得锂电池的安全性得到了日益广泛而深入的研究。在涉及电动汽车交通事故中,锂电池的失效大多发生在碰撞爆炸等极端条件下,而目前对于极端条件下锂电池的结构完整性国际上的研究仍显匮乏。
 
麻省理工大学的Wierzbicki教授建立了电池单体的均质化力学模型,在预测单体电池在特定载荷下的变形与断裂行为取得了一定成果。为进一步揭开锂电池在动态载荷下失效的内部机理,我校交通科学与工程学院许骏教授及其团队成员经过大量实验、理论分析和数值模拟,在预测高应变率下锂电池的机械完整性上取得一系列重要进展,并陆续将研究成果发表在包括《Applied Energy》、《Scientific Reports》等在内的国际著名期刊上。
 
许骏教授及博士生刘冰河同学在进行电池的结构实验时,发现锂电池在不同荷电状态下的机械完整性具有明显的差异。许骏教授团队随后用一系列的实验对这项现象予以了证实,并将相关研究成果发表在Nature旗下著名期刊《Scientific Reports》上。在此之前,国际上对这种重要现象的研究处于空白。这一发现对揭示不同条件下锂电池内部电化学状态有着重要意义。
 
 
 
1 各组分在不同荷电状态下的力学性能
 
在揭开荷电状态影响电池机械完整性的深层次原因的过程中,许骏教授带领博士生王璐冰同学通过对锂电池内部各组分在不同荷电状态下的力学性能做了实验研究,并对电池隔膜做了不同应变率下的各向拉伸实验。通过对实验数据的分析,发现当荷电状态更高时,会有更多锂离子嵌入锂电池的阳极之中,从而使得锂电池的机械完整性更好,相关研究成果发表在材料设计领域著名期刊《Materials & Design》上。
 
 
 
2 隔膜在不同状态下的力学性能
 
为了量化荷电状态对锂电池在动态载荷下的力学行为和失效行为的影响,许骏教授团队将惯性效应、应变力效应和荷电状态效应考虑在内,在大量实验数据以及上述研究基础上,提出了新的且高度吻合实验结果的锂电池本构模型及失效模型,并通过参数化研究全面揭示了锂电池结构完整性的重要影响因素。相关研究成果发表在能源领域著名期刊《Applied Energy》、机械失效领域著名期刊《Engineering Failure Analysis》上。
 
 
 
3 高应变率下锂电池的动态力学行为
 
许骏教授团队的研究拓展了人们对于锂电池结构动态力学行为以及机械完整性的认知,为后续锂电池碰撞安全的研究提供了重要的理论依据,研究成果一经发表便引起了业内人士的广泛关注。
 
许骏,交通科学与工程学院,青年千人,教授,E-mail: junxu@buaa.edu.cn
 
参考文献
[1] Xu, J., B. Liu, and D. Hu. "State of Charge Dependent Mechanical Integrity Behavior of 18650 Lithium-ion Batteries." Scientific Reports 6(2016).
[2] Xu, J, Wang L. Guan J. Yin S. "Coupled effect of strain rate and solvent on dynamic mechanical behaviors of separators in lithium ion batteries." Materials & Design 95(2016):319-328.
[3] Xu, J, Liu B. Wang L. Shang S. "Dynamic mechanical integrity of cylindrical lithium-ion battery cell upon crushing." Engineering Failure Analysis 53(2015):97-110.
[4] Xu, J., Liu B. Wang X. Hu D. "Computational model of 18650 lithium-ion battery with coupled strain rate and SOC dependencies." Applied Energy 172(2016):180-189.