【安全】機械衝擊下的動力電池，在不同尺度上表現怎樣的特性？
對於電芯而言，外力衝擊，速率越高，可承受的力值越小；成組以後的電芯，可以承受更大的衝擊變形，這些現象都是怎麼回事。
外力作用，造成電池機械結構的破壞，進而發生熱失控甚至燃爆事故，這是電動汽車作為道路車輛遇到交通事故時，有可能發生的情形。MIT研究人員針對碰撞過程中鋰電池在大中小尺度下發生的變化進行梳理，論文《A review of safety-focused mechanical modeling of commercial lithium-ion batteries》於2017年12月發表在電源雜誌上，作者Juner Zhu等。
3 第二部分，電芯水平
在宏觀尺度上，電池是一個複雜的組件，由集電器，活性塗層材料，隔膜和殼體組成，其機械性能已在第2節中描述。電池電芯的機械特性不僅僅是每個部件貢獻的綜合反映，反過來，它們之間的相互作用很大程度上受機械特性的影響。在實驗方面，電池應該在不同的負荷條件下進行測試，這就是所謂的機械濫用測試。通過這些測試，獲得變形模型和校準程序的信息，包括變形機制和結構響應。在建模方面，有幾種不同的策略：1）詳細的模型，2）代表體積元素（RVE）方法，3）均化模型。詳細的模型包括關於真實電池組的大部分信息，但如前所述，這些信息是計算密集型的，工作量巨大。均勻化模型的計算效率最高，RVE方法介於這兩種策略之間。在本節中，將介紹關於機械濫用測試的現有實驗結果的總結，並回顧三種建模策略。
3.1實驗結果：各種負載條件下的電芯機械特性
目前，還沒有在全球範圍內普遍接受的電池濫用測試標準或法規[87-91 ]。此外，幾乎沒有推薦的精確負荷和邊界條件 [ 92 ]。
圖4b顯示了在公開文獻中報道的軟包電池的六種負載條件。
ⅰ）擠壓試驗[ 93-97 ]用兩個剛性球體將同軸載荷載入到電池的頂面和底面。對於不同厚度的電池電芯，剛性球的半徑可以為幾毫米或幾英寸。
ⅱ）半球形沖頭衝擊試驗[ 13,14,26,53,98-102 ]類似於擠壓測試，但更容易在通用測試機上進行。不同之處在於電池電芯放置在剛性板上，而不是在兩個表面上受到兩個對稱的負載。
ⅲ）外部平面壓縮[ 24,100,101,103-106 ]用兩個平面同時擠壓電芯的頂面和底面，而側面不施載入荷。電芯的應力狀態是單軸壓縮。
ⅳ）面內壓縮試驗[ 99 ， 105 ， 107 - 115 ]將兩種位移邊界條件到電池電芯的兩側。根據設計，頂部和底部表面由兩個剛性壁完全約束 [110 ]，經受恆定均勻分布的壓力[ 109 ， 110 ]。
v）長圓柱[ 25 ] 體局部側面壓縮，由於電芯的寬度/厚度比大，所以該測試比中心區域的平面應變壓縮更嚴酷。
ⅵ）3點彎曲試驗[ 24 ， 99 ， 100 ， 106 ， 112 ]的電芯放置到兩個剛性支點上，在中心處施載入荷，從而在電芯中形成彎曲力矩。
在所有這些負載條件中，外部平面壓縮（iii）和面內壓縮試驗（iv）是「材料測試」，從中可以看出壓縮硬化曲線
可以被估計。另外四個測試是「結構測試」，其具有更複雜的應力狀態（參照圖4 b）。當與混合實驗/數值方法相結合時，它們可以用來確定一些材料參數（彈性模量和硬化曲線）[ 116 ]。在逆向方法中，用實驗結果修正數值模擬，計算結果與實驗數據進行對比匹配，通過最小化實驗結果與模擬結果之間的差距，找到材料參數，實現數值模擬模型的優化。
本節僅介紹測試方法和實驗結果中出現的一些基本趨勢。接下來是計算建模，其中校準過程用幾個例子來解釋。
3.1.1 完全放電的電池的靜態測試
過去五年已對完全放電的電池靜態測試進行了大量研究。所有涉及的測試可以分為圖 4b 所示的六個載入條件。這些研究中的大部分，研究了電芯變形（或崩潰）特性，這是一項相對容易的任務。在本文中，僅綜述那些有助於開發標準以預測受到外在負荷電池發生短路的實驗。發現，短路的發生與剛性壓頭測量到的阻力下降趨勢，大多數情況下一致 [24，100]。這是因為當隔膜斷裂時阻力會下降，這會立即導致電池短路[ 58 ]。剛性壓頭導致短路發生的關鍵位移δf數據是從公開資料中收集的。為了消除電芯在集合尺寸上的差異，建議引入歸一化臨界位移δf（NCD），或平均破壞應變
其中δf是壓頭導致失效發生的位移，和升lc是載入方向上的特徵長度（擠壓試驗，半球形沖頭衝擊，外部平面壓縮，長圓柱體局部側面壓縮和三點彎曲的電芯厚度；面內壓縮的電芯長度或寬度）。表4列出了NCD的值。應該指出，這些值通常取決於剛性壓頭的幾何形狀。在該表中，僅列出了公開文獻中報告的每個負載條件的平均值。一個明顯的結論是，同一電池組在不同負載條件下，發生短路的位移不同。
目前，研究最多的電池和負載條件是在半球形沖頭壓痕下的18650圓柱形電池。對於其他電池，特別是用於電動汽車應用的軟包電池，仍然有不充分的測試數據得出一般結論。從現有數據可以清楚地看出，在所有六種負載條件下，大多數電池的NCD為0.20 - 0.70 時發生短路。事實上，這種NCD值可以作為商業LIBs的一般指標，也可以作為人為失效應變實施到有限元模型中。應該注意的是，圓柱形電芯的平面內壓縮的NCD值通常小於其他值，因為局部壓曲在這種情況下經常發生[ 107]。同時，三點彎曲通常具有較高的短路耐受性，因為這些層可以彼此滑動，從而導致較小的彎曲應變。
在最近的一些研究中，報道了關於軟包電池失效的一個非常有趣的現象-當軟包電池受到側向壓縮時，會發生應變局部化，並且電池沿著斷層線斷裂，斷層線與電池平面成一定角度傾斜（參見圖6a- d）。參考文獻[ 93 ]中報告的電池電芯的角度為45°，參考文獻[ 25 ]中報告的角度為62°。這種現象的潛在機制還沒有完全理解，它可能來自粒狀活性材料的特性，或可能是由於多層結構造成。
3.1.2 動態測試和速率依賴
在實際的車輛碰撞事故中，材料的變形是一個動態過程，其全球應變率可高達500s-1 [ 117 ]。因此研究電池電芯的機械性能的應變速率依賴性是必要的。根據現有的出版物數據[118-120 ]，與准靜態情況相比，在高載荷載入速度下，電池電芯的強度增加（高應變率）。一方面，電池電芯的大多數組件材料具有正應變速率依賴性，包括鋼，銅，隔膜和塗層，這在第2節已經討論過 。另一方面，有電解質的影響。動態載入時，電池內部電解質流動引起的粘性剪切應力要大得多，從而導致更大的能量消耗。
表4，在各種靜態機械濫用負載下，造成完全放電的電池短路的歸一化臨界位移。
a 軟包電池和方形電池的長×寬×厚，圓柱電池和橢圓電池的直徑×長度；
b數據不可用。
圖6 斷裂軟包電池的橫截面（a）平沖頭[ 25 ]，（b）半球形沖頭[ 25 ]，（c）用2個沖頭[ 93 ]夾緊，（d）用3 個 沖頭[ 93 ]夾緊; （e）與非壓縮壓縮相比，在寬度方向上的壓縮與自由壓縮的應力應變曲線。
Kisters等人報道了兩個軟包電池和一個橢圓電池的動態測試結果。[ 120 ]顯示了對斷裂特性的非常有趣的速率依賴性，隨著載入速度的增加，電池電芯的機械故障發生在越來越低的應力值和越來越小的位移下。這種現象對於電動汽車安全性非常重要，因為它表明在高速衝擊載荷下變形公差變得更小。這種違反直覺現象的機制仍然不為人知，需要進行更多的基礎研究來澄清和建模。
3.1.3 電解質和結構性流動相互作用的影響
在電池中，所有組件都浸入電解液中。這種特殊的環境對多微孔隔膜的機械特性具有決定性的影響 [ 71,121-123 ]。乾式和濕式隔膜之間的差異來自兩種機制。第一個是電解質分子滲入隔膜的無定形納米纖維。分子動力學模擬[ 71 ]表明，碳酸二甲酯（DMC）可以提高無定形PP的彈性模量，但對結晶相沒有影響。另一種機制是結構 - 流體相互作用。當隔膜受到壓縮載荷時，體積變形驅使電解質流過隔膜的微孔。此溢流給材料變形提供了附加的阻力 [ 122,123 ]。這種結構-流體相互作用的方法可以用光滑的粒子流體動力學[ 51 ]或在有孔介質力學[ 123 ] 的框架下描述。據作者所知，沒有其他的研究報告描述過類似的環境依賴。
結構 - 流體相互作用的影響不僅存在於組件層面，而且存在於電芯層面。在低速下，這種影響是不可見的，因為流體的剪切應力與流體的速度成正比。然而，在高速動態負載下，濕電芯和乾電芯之間的差異是顯著的[ 120 ]。這是速率依賴的可能機制之一[ 124 ]，在3.1.2節討論。
3.1.4 荷電狀態依賴
為了避免機械濫用測試期間在高充電狀態（SOC）下嚴重熱失控的風險，電芯級別的大多數研究被限制為低SOC（接近於零），儘管事實上，當發生碰撞事故時，電動車輛中的服務LIB通常在更高的SOC下運行。因此，研究SOC對機械完整性和內部短路發生的影響，這是非常重要的。
Xu等人 [ 106,118 ]和Tsutsui等[ 119 ]報道了18650圓柱形電池在壓縮和彎曲下機械完整性的SOC依賴性。在更高的SOC下，18650電池的結構剛度增加並且短路位移減小。此外，在最終的完全短路之前觀察到可逆的斷續的或不完全短路[ 119 ]。然而，對於軟包電池，據報道在半球形衝擊負載下幾乎沒有SOC依賴的機械響應[ 125]。在現階段，由於現有的實驗研究數量有限，很難得出關於LIBs機械特性的SOC依賴性的一般結論。答案在很大程度上取決於活性材料的組成和性質以及電池的形狀因素。電芯的SOC可能會影響其機械性能有兩種可能的機制。第一個是充電過程中活性材料顆粒機械性能的變化。根據現有的出版物，陽極石墨顆粒的彈性模量在鋰化過程中增加[ 76 ]，而陰極NMC顆粒的彈性模量由於去鋰化而下降[ 126]]。因此，SOC依賴性的整體趨勢不能簡單地通過僅研究一個電極來解釋。另一機制是由化學組合物的過程中的充電-放電過程體積變化 [127 - 131 ]引起的。在電池級，這種體積變化可以將局部應變場引入活性材料顆粒中，從而產生內部應力場，因為鋰離子電池通常在約束邊界條件下工作。這個內部應力場不僅可以影響力學特性，而且會導致LIB的容量衰減[ 132 ]。
3.2 電芯級模型
3.2.1 詳細模型
關於電池組件的材料屬性和本構模型有大量的實驗數據，這使得開發有限元模型成為可能，該模型涵蓋了包括所有組件在內的所有電芯特性。針對18650圓柱形電池[ 100，107 ]和軟包電芯[ 53 ] 已經有幾種詳細的模型建立了。這些模型對研究電池結構的變形順序和內部短路的原因非常有用[ 107]。但是，詳細模型的成功取決於計算資源和時間。通常，這種模型中有超過100,000個元素，甚至可以預測局部斷裂特性。出於這個原因，詳細的模型不能應用於模塊，電池組和車輛碰撞的大規模模擬。另一個挑戰是要確定不同層之間的適當接觸條件。到目前為止，沒有文獻報道電池組件的真實機械環境研究，包括但不限於接觸壓力，摩擦力和粘附力。
3.2.2 RVEs
代表性體積元素（RVE）被定義為可以進行測量的最小體積，它產生的測量值可以代表整個電芯[ 133 ]。圖2a中示出了電池電芯卷繞結構的RVE 。它由兩個活性材料層，兩個石墨層，兩個隔離層，一個銅箔和一個鋁箔組成。基於這一基本結構，Sahraei等人 [ 13,19 ]，Lai等人 [ 110,113,134 ]，和Zhang等[ 53,135]開發了軟包電池和18650圓柱型電池的RVE模型，並且該模型用於兩種功能。第一個功能是研究電芯的變形機理。RVE中的元素數量明顯少於詳細模型，從而降低了計算成本。然而，其應用受到周期性邊界條件和小應變梯度的限制。對於更複雜的載入如三點彎曲和圓柱沖頭，應力場是多軸和不均勻的，因此定義RVE的精確邊界條件是非常困難的。由於邊界條件不當，RVE可能會在其機械性能上顯示尺寸效應，這意味著代表性體積單元不再能代表整個結構。Saharei等人 [ 13 ]是最早研究通過改變兩個方向上的張力和壓縮比來研究不同邊界條件對RVE影響的研究。RVE模型的第二個功能是獲得所述電池電芯的基本的機械性能，如應力-應變曲線[ 110,134 ]。通過不同的研究[ 53]來表徵拉伸和壓縮之間力學特性的差異是有用的，但與詳細的模型類似，還應該非常小心接觸定義，包括粘合強度，摩擦力和接觸壓力。
3.2.3 均質模型
均勻化模型當然是三種計算建模策略中計算效率最高的模型，它將電極堆疊或卷繞作為均勻材料處理。因此，電池建模的任務簡化為選擇合適的本構模型並校準未知係數。與其他材料或結構相比，商用鋰離子電池具有四種特殊的機械性能：
1） 壓力依賴。拉伸和壓縮的機械響應非常不同 [ 13,14,53,101,103,135 ]。
2） 應力強化特性。當電芯受到壓縮載荷時，它開始緻密化和硬化速率增加非常迅速[ 103,108,111 ]。
3） 各向異性。由於多層結構的特點，機械特性的面內方向與面外方向完全不同[13,24,53,94,97,112 ]。
4）當受到壓縮載荷時，剪切帶形成和斷裂（參照 圖6）[ 24,25,93,102,107 ]。
現有的出版物已經提出了幾種試圖表徵這些性質的本構模型。三種最常用的模型是可破碎泡沫模型，蜂窩模型和Gurson模型，將在下一部分對其進行介紹。
3.2.3.1 可破碎的泡沫模型。
Deshpande和Fleck [ 136 ]提出了兩種基於相同屈服函數但具有不同硬化演算法的可破碎金屬泡沫的各向同性本構模型。許多研究小組已經應用這些模型來描述電池電芯力學特性[18,51,103,110,111,137 ]。模型的屈服函數是橢圓的（見圖4a），表示為
其中A和B分別是屈服橢圓的p軸和q軸的尺寸，回想一下，p和q分別是應力分量的壓力和Mises等效應力。如圖4a 所示，可壓碎泡沫模型能夠表徵材料塑性特性的壓力依賴性，這與Mohr-Coulomb和Drucker-Prager類似。三種模型之間的差異是其收益函數的形狀。
可壓碎泡沫模型適用於電池電芯的原因在於，活性塗層材料的物理條件非常接近金屬泡沫的物理條件。兩種材料在施加壓縮載荷時均經過緻密化處理。正如第2節所討論的那樣，某些類型的隔膜具有很高的各向異性，泡沫材料本質上是各向同性的。為了捕捉均質材料關係中的各向異性特性，可以使用蜂窩模型。通用軟體Abaqus [ 51 ]或LS-DYNA [ 137 ] 的材料模型庫中都提供了可破碎泡沫和蜂窩模型。
3.2.3.2 蜂窩模型
在商用FE軟體LS-DYNA中，可以選擇將材料描述為蜂窩，稱為MAT_026_蜂窩（或MAT_126_修改的蜂窩）。在這個材料關鍵字中，用戶可以輸入材料各個方向的不同壓縮硬化曲線，這些曲線可以具有非常大的硬化速率。這兩個重要特徵使材料關鍵字用於描述電池電芯由於結構的各向異性帶來的各向異性特性，是非常有用的 [53,135 ]。換言之，假定MD方向和TD方向的壓縮性質非常相似，僅在厚度方向上不同。Sahraei等人 [ 14]對軟包電池和圓柱形電池的可壓碎泡沫模型（各向同性材料）和蜂窩模型（各向異性材料）進行了非常全面的比較。指出，這兩種模式都有其優點和缺點。各向同性模型更簡單，需要更少的校準測試，對大多數載入情況都能提供合理的結果。同時，各向異性模型可以在某些各向同性模型無法達到滿意效果的情況下表現良好特性。值得注意的是，各向異性模型更複雜，並涉及新的材料參數，應通過附加測試進行校準。
3.2.3.3 Gurson模型
Gurson（或GTN）模型[ 138 ]和它的一些編輯版本[ 139-141 ]已被廣泛接受用於表徵金屬的塑性和韌性斷裂。Tvergaard和Needleman [ 141 ] 修改後的屈服函數給出如下
其中d1-d3是要校準的三個材料參數，並且Φ是空隙體積分數（0代表完全緻密，1代表完全空白）。
該Gurson模型應用於表徵電池電芯以及塗層材料的機械特性[ 108,134,142,143 ]，模擬結果令人滿意。此外，它是一個基於物理的金屬模型，描述了空洞的成核，生長和相互作用。因此，數值模擬可以預測裂紋萌生和擴展。但是，它對電池的適用性仍然值得懷疑[ 144]。Gurson模型是針對多孔金屬開發的，因此其物理意義與電池內部顆粒狀粉末的物理意義完全不同，後者主要受顆粒之間的摩擦和相互作用支配。孔隙度為Gurson模型孔隙率的上限是大約10％[ 51,144 ]，而實際上LIBS通常為30％- 40％。由於這些原因，使用Gurson模型描述電池電芯的失效特徵不如金屬那樣可靠。
3.2.3.4 三個均勻模型的總結
總而言之，三種模型各有一定的優缺點，但它們都不能涵蓋前面提到的所有四個重要屬性（見表5）。具體而言，沒有關於剪切帶形成和增長的數字表徵的報道，如圖6所示。精確表徵LIB的局部失效對電化學界仍然是一項艱巨的挑戰。Chung等人採用了Mohr-Coulomb（MC）模型[ 25]來表徵這種特殊的故障模式。此外，作者還提出了一種適用於該模型的便捷校準方法，該方法僅依賴於一個平面應變測試。MC模型的成功源於其描述粒子內部摩擦的能力，這與圖 4a所示的Drucker-Prager模型類似。它可以從本構關係模型中斷層線的傾角為（π/4 + φ/2）粒狀物與一個摩擦角φ [ 145,146 ]。因為傾斜角度為62°，塗層材料的摩擦角度為34°。
與Mohr-Coulomb和Drucker-Prager相比，可壓碎泡沫模型缺乏塗層的基礎物理特性，特別是顆粒之間的內部摩擦。因此，儘管一些研究已經採用了這樣的泡沫模型來模擬的電極和電芯中的拉伸/壓縮的不同，但它不能表徵應變局部化和壓應力下軟包電池厚度方向上的剪切應力帶的形成 [ 53,100 ] 。
3.2.4分析模型
先前描述的三種建模策略（詳細模型，RVE和均化模型）在很大程度上依賴於計算方法。它們中的每一個都需要從許多不同的測試中獲得許多輸入參數。從實際應用的角度來看，非常希望開發出能夠繞過耗時的有限元模擬的近似解決方案。用於圓柱形電池和軟包電池不同負荷條件許多分析研究已經進行，包括半球形沖頭[ 25,99,147 ]，單軸面內壓縮[ 99,107,108 ]，3點彎曲[ 99]，和圓柱形衝壓[ 25,103 ]。對於某些情況，可以預測完整的力-位移曲線。例如，通過半球形沖頭[ 99 ] 橫向載入的軟包電池的模型產生以下負載位移曲線（ P-δ ）關係：
其中a是壓應力拋物線的係數， R是沖頭半徑，hc 是電芯的厚度，δ是沖頭的位移，σ0 是鋁箔和銅箔的平均屈服應力，hf是箔片的平均厚度，和N是箔的總數。
這種分析解決方案的強大之處在於，它們可以快速估計電芯對面外和面內載入類型的抵抗能力。同時，他們通常只需要一個簡單的校準實驗，這比數值模擬要少得多。梁模型提供了局部屈曲波長和屈曲載荷的公式。由Timoshenko提供的經典教科書解決方案首次由Sahraei等人應用[ 99 ]來確定屈曲載荷Δσ的全側向約束面內壓縮的面應變。
其中D是單個箔的彎曲剛度，l和h表示軟包電池的長度和厚度， m是長度l的實驗測量的波數。
表5，用於解釋LIB電芯的不同特徵的現有模型。
（四）
4 第三部分，宏觀系統規模：電池模塊和保護結構
汽車行業有興趣了解個體電池的豐富信息如何被整合到模塊和電池組的計算模型中。這裡的困難來自實驗和計算方面。在實驗方面，有很多影響場景（側面或底部衝擊）以及模塊的不同設計。因此，全面的擠壓測試的成本將非常耗時且昂貴。關於電池模塊的濫用測試只有少數幾篇文章涉及有限範圍的形狀和負載條件。Xia等人[ 148 ]對包含一種大規格軟包電池的模塊進行了降落塔測試。測試計劃包括兩個不同形狀的沖頭和三個載入方向。使用30％和100％SOC模塊進行測試。在測試中測量的是負載，位移和電壓的時間歷程。在照片中，圖7a-c示出經受圓柱形和楔式沖頭載荷電池模塊的大規模破壞。
有趣的是，模塊在平面電芯X，Y方向上的衝擊耐受能力比在平面外Z方向上高兩倍。只有在一次平面外載入情況下，測試後不久就開始冒煙和燃燒。這導致了一個有趣的假設：模塊在壓痕下的臨界位移比單個電芯大得多。這可以通過單個電芯擁有更多的自由度，作為一個整體產生剛體位移和旋轉而沒有過多的內部損傷來解釋。
圖7. 電池模塊的濫用測試。（a-c）在X方向，Y方向和Z方向受到剛性壓頭10m/s撞擊的模塊的最終損傷模式照片。（d＆e）薄鋁板散熱器夾在兩個軟包電池之間的彎曲模組。
密歇根大學Jwo Pans教授團隊針對兩片軟包電芯之間夾持一個散熱器的面內實驗模型，發表了一系列論文 [108,110,113,114,134 ]。在兩軟包電芯之間夾著薄鋁板散熱器的全約束系統上的實驗顯示了非常有趣的變形模式，如圖7d和e所示。可以看出波長與系統厚度的數量級相當，並且看起來彎曲曲率是由擱置在電池基座上的散熱板的屈曲決定的。在沒有散熱板的單個軟包電池的情況下，同樣的團隊也提出了另一種失效觸發機制。電芯完全放電。因此，不可能得出關於電短路和可能的火災發生的結論。
最近，清華大學和麻省理工學院聯合起來，重新構建了被大量報道的特斯拉地面撞擊起火事故（見圖8a）[ 147 ]。汽車底部的受損區域被限制在一個模塊中，該模塊包含大約400個圓柱形電池。電池組由6.35毫米厚的鋁合金裝甲板保護。通過詳細的模擬表明，在大約25毫米的穿透深度下，裝甲板破裂使未受保護的電芯暴露在進一步的變形和熱失控中。計算模型包括模塊的所有其他組件，每個組件上都有完整的材料輸入數據。這在圖8a中示出。
看來，電池模塊和組件進一步的測試和優化，汽車公司應該直接參与其中，因為計算模型非常依賴於設計。電池組集成到車身結構內部以後的一些試驗結果可以在下列出版物中找到[ 149-154]。例如，兩個歐盟項目，OSTLER（用於電動汽車的優化存儲集成）[ 149 ]和SmartBatt [ 150]研究了電動汽車整體承受不同衝擊載荷的場景，包括EuroNCAP單點側面衝擊，補償變形障礙，前部碰撞和後部碰撞。其中，OSTLER項目的報告是最全面的。它顯示了豐田雅力士的地板安裝電池組在EuroNCAP以50 km /h的速度單點側面衝擊下遭受嚴重侵入（154 mm）（見圖8b）。最後的數據顯示了進一步研究日常道路交通事故中模塊和電池組的侵入和變形的重要性。
5 總結和展望
總而言之，本文回顧了在不同尺寸規模的商用鋰離子電池的重點安全機械特性方面的最新技術，理論和模型。在微觀尺度和中尺度範圍內，電池組元件的材料正在被廣泛研究，許多有用的材料本構模型已經得到了很好的研究。最重要的尚未解決的問題是塗層材料的表徵，其變形機制尚未完全了解。在宏觀或電芯水平上，進行了不同類型的機械濫用測試以研究電池電芯的力學特性，並且已經提出了許多詳細模型，RVE和均化模型。然而，仍然沒有均勻化模型可以同時表徵如下四種重要的力學性能：應力依賴性，材料密度，各向異性和剪切帶失效。在宏觀系統規模上，同時開展的實驗和數據研究仍然缺乏。現有的出版物著重於提高電動汽車保護結構的耐撞性並減少電池電芯的變形。近期一些方向的總結如下：
提供原位實驗證據。目前，用於電池損傷檢查的兩種最有用的工具是截面切割拋光和微CT掃描，這兩種方法都是驗後檢查，只能提供最後時刻的斷裂信息。最近，X射線技術已經足夠成熟，現在可以使用原位微CT和原位XRD測試來實時監測材料在機械測試過程中的變形情況。與試後檢驗相比，這種現場測試可以提供更多的信息，尤其是變形序列。
圖8電動汽車碰撞事故的兩種情況（a）道路障礙物引起的地面撞擊[ 147 ]，撞擊物體可能侵入電池模塊; （b）EuroNCAP單極側撞擊速度為50km/ h [ 149 ]，觀察到電池模塊出現大的變形，最大位移可達154mm。
標準化電芯級測試。電芯水平測試的設置在不同的研究團隊中差異很大，而且沒有關於測試設置的標準以及執行測試的程序。為了使測試標準化，首先要明確的是不同負載條件下的功能。如本文所述，它們通常可以分為兩組，即材料測試和結構測試。諸如平面內和平面外壓縮之類的材料測試可用於模型校準，並且結構測試（例如擠壓和半球形衝壓）可用於模型驗證。同時，結構測試通常更接近到實際事故場景，因此可用於研究電池電芯的安全容限。
建模剪切破壞現象。在組件級和電芯級已經提出了許多模型。然而，他們中沒有一個能夠表徵剪切破壞現象，許多研究小組已經觀察到這種現象。Greve和Fehrenbach [ 24 ]首先嘗試將Mohr-Coulomb應用於電池模型，而Chung等人的最新工作 [25 ]表明Mohr-Coulomb模型在建模這種局部失效模式時有效。因此，未來的研究可以集中在將MC模型實現為計算代碼。
動態測試和應變率依賴性。非常需要電池組件和單個電池的動態測試數據。對於汽車工業用途，測試應涵蓋從0（准靜態）到500s - 1的範圍， 以滿足碰撞模擬的需求。准靜態測試（1s - 1以下）可以使用通用測試機進行。對於動態測試，液壓機或分離式霍普金森桿是兩種常見選擇。電芯水平上的濫用測試需要大量的動能輸入到結構中。因此，降質量系統 更合適[ 155 ]。
有效的電池單體和模組的均質模型。對於汽車行業而言，均質化模型總是優於RVE和詳細模型。對於電池組，現有的模型仍然不足以表徵剪切破壞的特徵。對於電池模塊，仍然沒有適用模型。為了填補這個空白，實驗和計算機模擬模擬研究都是必需的。
下一代電池。隨著電池技術的迅速發展，新的電池誕生於實驗室，其中一些甚至已經進入市場。全固態電池被認為是鋰離子電池的下一代[ 156 ]。針對鋰金屬[157]、固態電解質機械特性以及建立電芯級別的全固態電池模型[ 79,158 ]的研究已經大量展開。然而，仍有許多安全機理問題需要研究，例如鋰的沉積和枝晶的生長。
參考文獻
本文由「動力電池技術」翻譯整理，只做學習交流之用；其餘圖片來自互聯網公開資料。
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