通过成分级表征研究多层锂离子电池软包膜的力学行为和断裂机制

《Journal of Energy Storage》：Understanding the mechanical behavior and fracture mechanism of multi–layered Li–ion battery pouch film through constituent–level characterization

　　• 对PET/PA/Al/PP袋膜的组分级机械性能进行了表征。
• 根据表面粗糙度校准了组分级的断裂模型。
• 有限元模拟预测在方形杯拉深加工过程中的成形深度偏差在7%以内。
• 外层PET/PA亚层抑制了应变局部化并延缓了袋膜的断裂。
• 全局失效始于PET/PA亚层，并向Al层传播。

**引言**
随着电动汽车（EV）市场的迅速扩张，锂离子电池（LIBs）的研发工作加紧进行，以满足对高能量密度和操作安全性的日益增长的需求[1][2][3]。在各种LIB格式中，袋型电池因其优越的能量密度、轻量化结构以及良好的热管理特性而受到特别关注[4][5]。然而，由内部缺陷引发的安全事故（如热失控和爆炸）[6][7]对消费者构成了严重风险，这凸显了对袋型LIBs组成部件机械可靠性的系统性研究的紧迫性。

如图1所示，袋型锂离子电池是通过从由聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚酰胺（PA）、铝（Al）和聚丙烯（PP）组成的金属-聚合物层压膜制成方形杯结构来制造的。在这种多层配置中，外层的PET和PA层提高了抗穿刺性、尺寸稳定性和深拉深成形能力，从而在制造过程中保护了铝箔。铝箔作为主要的防潮、隔氧和阻光屏障，对电池的长期电化学稳定性至关重要。最内层的PP层具有热密封性能，确保密封性的同时还对电解质具有化学抗性[8][9]。袋子制造完成后，将包含阳极、隔膜和阴极的层叠部件放入腔体内，然后注入电解质，从而完成电池组装。由于内部电极堆的体积直接受到袋子成形深度的限制，因此袋膜的成形极限对电池的最大能量密度具有根本性的制约作用。

尽管成形极限对确定能量密度至关重要，但它受到成形过程中出现的结构缺陷的限制。如图1所示，变形高度集中的角部区域特别容易发生断裂[8]。因此，过大的成形深度可能会降低电池在使用中的安全性和可靠性。这种局部断裂可能导致密封失效、电解液泄漏或局部短路，从而显著增加电池运行过程中的热失控风险。为防止此类故障，必须明确界定袋膜的成形极限，并制定在这些极限范围内运行的制造工艺。此外，为了提高电池的能量密度，必须通过深入理解构成袋膜的各层的机械行为来选择合适的材料并进行工艺设计。

迄今为止，提高锂离子电池能量密度的研究主要集中在电化学组件和电极制造上，包括电解质设计、高容量电极材料以及压延工艺[10][11][12][13][14][15][16][17][18][19]。相比之下，对锂离子电池机械特性的研究主要集中在全电池级别的性能评估（如穿透性和弯曲测试）以及基于这些实验的建模工作[20][21][22]。例如，有一项研究开发了代表性的电池截面体积元素模型来分析机械行为，并将结果与实验数据进行验证[23]。另一种方法表征了构成电池材料的拉伸性能，并将这些数据纳入建模框架中以评估整个电池的机械响应[24]。虽然这些研究有助于评估最终电池组件的机械稳定性，但它们对材料选择和工艺优化的指导作用有限，而这些方面需要在袋膜及其组成层的层面进行考虑。

最近的研究开始关注袋膜本身的内在性能和机械行为，以阐明其在决定袋型LIBs成形性和可靠性中的作用。一些研究探讨了聚合物材料变化对袋膜性能的影响，从而阐明了材料选择对机械性能的影响[25][26]。Moon等人[27]开发了一个混合实验-数值框架，用于识别铝-聚合物袋膜组分的弹性和塑性性能，主要目的是确定组分级机械性能，而不是预测断裂行为。其他研究则考虑了层状各向异性及其对成形行为的影响，扩展了对袋膜的机械表征[28]。这些研究为理解袋膜组分级的机械行为奠定了重要基础。然而，这类多层系统的成形行为还取决于复杂加载条件下不同层之间的相互作用。

从更广泛的板材成形角度来看，也研究了各种金属-聚合物和层压板材系统的成形性。这些研究表明，组成层之间的机械性能差异以及层间约束和界面条件会显著影响应变分布、局部化以及相应的成形极限[29][30][31]。此外，先前的研究使用Nakajima测试实验评估了多层板材的成形极限，提供了关于其在成形条件下的变形和失效行为的见解[32][33]。然而，在许多这类层压系统中，层厚度的较大差异和相对高强度的金属层会导致显著的界面应力梯度，使得分层通常成为主要的失效模式[34]。

这些失效特性可能不直接适用于电池袋膜，因为在电池袋膜中，组成层的厚度差异较小，整体层压体的响应受到柔性聚合物层的有力影响。因此，一些研究专门关注于评估袋膜的成形极限并预测其可实现的成形深度。为了考虑实验效应（如过早断裂），对成形极限测试方法进行了修改。例如，提出了改进的Marciniak测试，以在受控应变路径下获得更具代表性的成形极限[35]。在建模方法中，采用了基于断裂的方法，利用实验测得的成形极限数据和解耦的延性断裂准则来估计袋膜的成形性[36]。在另一项研究中，使用 cohesion zone model (CZM) 预测了袋膜的成形极限[37]。Moon等人[37]通过结合实验和有限元建模研究了PET/PA/Al/PP层压袋膜的整体成形性，特别关注了各向异性变形和界面粘附对成形行为的影响。Tian等人[38]采用了不同的CZM方法，在相邻的有限元素之间插入粘合元素来预测袋膜中的断裂起始和传播。尽管取得了这些进展，但这些研究并未重点关注组成亚层的断裂特性及其在完整袋膜整体断裂行为中的作用。因此，亚层级断裂特性与组装袋膜断裂行为之间的关系仍然不够明确。

因此，本研究重点关注组成亚层的断裂行为及其与PET/PA/Al/PP袋膜整体断裂机制的关系。通过拉伸测试表征了袋膜及其组分的机械响应，并对PET/PA和Al/PP亚层进行了成形极限实验，以确定各自的断裂准则。随后将这些断裂描述纳入多层有限元模型中，研究组分亚层如何影响袋膜的整体成形和断裂行为。特别关注了PET/PA亚层对底层Al层应变局部化和断裂的影响。最终，本研究从亚层级别提供了控制袋膜成形极限的机制视角，并为开发高成形性袋膜结构提供了设计上的启示。

**实验**
为了表征袋膜组成层的机械性能，使用通过机械剥离PA/Al界面得到的亚层进行了实验[27]。此外，还进行了亚层级的成形极限测试，以确定袋膜的断裂特性，这些特性随后被纳入建模框架中。

**有限元建模**
本节详细介绍了基于袋膜及其组成层的材料和断裂特性的有限元建模。模拟结合了组成层的机械性能和断裂特性，以分析袋膜在成形过程中的变形行为。

**单轴拉伸测试**
图8(a)显示了每个袋组件的工程应力-应变曲线，包括整个袋膜。测得的杨氏模量和屈服应力也总结在表1中。每种试样类型和应变率条件进行了五次独立的拉伸测试。由于试样厚度较小，观察到断裂应变存在分散，因此选择了接近重复测试中位值的曲线作为代表值。

**表面粗糙度对Al成形极限的影响**
为了验证嵌入袋膜中的Al层的预测延性断裂准则，在Nakajima测试的双轴应变路径下进行了有限元模拟。初始表面粗糙度使用RufGen插件纳入了有限元分析，如3.1.1节所述。为了评估表面粗糙度对断裂行为的影响，进行了两种情况的模拟：考虑和不考虑Al表面的粗糙度。

**结论**
本研究系统地研究了用于袋型锂离子电池包装的PET/PA/Al/PP多层袋膜的成形行为。采用了适当的本构模型和延性断裂准则来预测袋膜的成形极限。为了考虑多层结构的特性，实验表征了组分级的机械性能和成形极限，并进行了有限元分析以阐明……

**作者贡献声明**
Jung hyeon Park：撰写——原始草稿、方法论、调查、正式分析。
Hongjin Choi：资源支持、概念化。
Chanmi Moon：撰写——审阅与编辑、方法论、数据管理。
Myoung-Gyu Lee：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、概念化。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有任何已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

**致谢**
本研究得到了LG Energy Solution的支持，以及韩国材料科学研究所（KIMS）的基础研究计划（PNKB300）的支持，该计划由韩国科学技术信息通信部（MSIT）资助。MGL还得到了韩国MOTIR资助的KEIT（RS-2025-25463363）的部分支持。

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