锂离子软包电池各向异性力学特性表征与有限元建模研究及其在机械载荷下的失效机制分析

为解决电动汽车碰撞工况下锂离子电池(LIBs)的机械安全性问题，研究人员通过多方向拉伸实验系统表征了NMC软包电池各组件的各向异性力学行为，构建了分层有限元模型模拟压痕测试，结合FTIR、XRD、EDS等技术揭示了老化与新鲜电池的失效差异，为高安全性电池设计提供了实验与理论依据。

　　

随着电动汽车市场的爆发式增长，锂离子电池(LIBs)的高容量与安全性矛盾日益凸显。尤其在碰撞事故中，机械载荷引发的内部短路(ISC)和热失控可能酿成灾难性后果。传统研究多聚焦于电化学性能优化，而对电池组件在复杂应力下的各向异性力学行为缺乏系统认知。美国路易斯安那州立大学的Edris Akbari和George Z. Voyiadjis团队在《Journal of Energy Storage》发表的研究，首次通过多尺度实验与建模相结合的方式，揭示了NMC软包电池在机械滥用下的失效机理。

研究采用72%荷电状态(SOC)的商业软包电池，运用数字图像相关(DIC)技术和有限元(FE)逆向建模方法，精确获取了阳极、阴极、隔膜及外壳在拉伸至断裂全过程的真实应力-应变曲线。通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)分析了老化电池的材料演变规律，并建立分层有限元模型模拟半球形压头冲击试验。

Experimental
研究发现软包电池外壳的双层聚合物结构具有显著差异：哑光面为聚丙烯(C₃
H₆
)，光亮面为乙烯-丙烯共聚物。湿法隔膜在三个方向的拉伸测试显示，机器方向(MD)的断裂应变比横向(TD)高23%，证实了制造工艺导致的各向异性。

Discussion and results
Hill塑性模型参数计算表明，老化阴极的屈服强度下降18%，这与电解液副反应产生的Li₂
CO₃
沉积相关。压痕模拟显示，分层模型能准确预测隔膜破裂时的临界位移(误差<5%)，而均质化模型高估了30%的承载能力。

Conclusion
该研究创新性地实现了从材料微观特性到电池宏观响应的跨尺度关联：1) 揭示了电极涂层与金属箔的界面脱层是引发ISC的首要失效模式；2) 量化了老化使隔膜触发应变阈值提升12%的安全冗余效应；3) 开发的层状FE模型相比传统RVE方法计算效率提升40%，为电池包碰撞仿真提供了新工具。这项工作为下一代电池的耐撞性设计建立了关键理论基础，其提出的"材料-结构-安全"协同优化框架已被宝马等车企纳入电池开发流程。