【摘 要】
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随着新能源汽车以及动力电池的快速发展,锂离子电池得到快速应用的同时也带来了安全性问题。本论文以21700锂电池为例,通过试验和建模的方式研究了电池在挤压载荷下的安全性能与变形失效行为,主要的研究结果如下:1、对锂电池单体进行径向压缩试验。根据试验结果,21700锂电池在径向挤压时的变形极限在10.3mm左右。电池受载变形后,SOC越高其承载能力越大,SOC并不会影响电池的失效位移。在电池发生短路后
【基金项目】
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宁波市自然科学基金“充放电循环与锂离子电池冲击力学性能失效相关性机理研究”； 宁波市自然科学基金“充放电循环对车载动力电池集流体力学行为和失效机理的影响”；
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随着新能源汽车以及动力电池的快速发展,锂离子电池得到快速应用的同时也带来了安全性问题。本论文以21700锂电池为例,通过试验和建模的方式研究了电池在挤压载荷下的安全性能与变形失效行为,主要的研究结果如下:1、对锂电池单体进行径向压缩试验。根据试验结果,21700锂电池在径向挤压时的变形极限在10.3mm左右。电池受载变形后,SOC越高其承载能力越大,SOC并不会影响电池的失效位移。在电池发生短路后,SOC越高导致放热反应越剧烈。充放电循环次数对电池结构刚度的影响较小,但电池失效位移明显提前。高温环境对电池有软化作用,在高温下的循环时间越长,其高温环境对电池的软化现象越明显。2、对锂电池单体进行局部压缩试验。不同压头形状影响了电池短路失效的峰值载荷与失效位移。不同的压缩位置与不同挤压尺寸都是对失效峰值载荷有较大影响,不会影响电池的失效位移。电池壳只会稍微影响电池前期的刚度变化,对电池的失效时可容许的变形量没有产生太大影响。电池单体在同一种挤压工况下所能承受的变形及短路是一致的,当电池受到剪切载荷时电池内芯越容易提前发生失效,所以电池失效主要与电池内芯的力学特性有关。3、对锂电池正负极进行了拉伸与压缩试验。电池正负极的拉伸行为主要表现的是集流体的力学特性,正负极的压缩行为主要表现是活性涂层的力学特性。在不同循环下,随着循环次数的增加正极的拉伸断裂应变逐渐减小,而负极的拉伸最大应力会逐渐降低,正极叠层的力学行为变化很小,负极的压缩曲线逐渐右移,压缩模量减小,最大应力降低。高温环境对负极的拉伸行为没有太大影响,正极拉伸力学行为稍有变化,对正负极的压缩行为没有变化。4、在ABAQUS有限元软件中建立锂电池单体均质化的模型,模型结果具有较好的拟合性。在局部圆弧面压缩时,最大的应力分布在压头接触区域的下面,而在局部矩形面与圆面压缩时,内芯失效主要发生在与尖头压头接触的单元附近。之后基于Mohr-Coulomb失效准则,确定断裂平面表达式σ1=0.849σ3+0.066,用以预测不同工况挤压变形下电池的失效行为。建立了圆柱型锂电池有内芯叠层的精细化有限元模型,对电池的正极、负极、隔膜的变形过程进行模拟分析。
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