碳纤维复合结构电池安全性评估方法的研究

《Journal of Energy Storage》：Research on safety assessment methods for carbon fiber composite structural batteries

　　

杜春志|周静

中国民用航空大学航空工程学院，天津，300300，中国

摘要

碳纤维复合结构电池集成了承载载荷和储能功能，其复杂的力-电-热耦合效应使得传统的单电池安全评估方法不再适用。为了解决这个问题，本研究建立了一个专门的安全评估框架。首先，通过故障树分析（FTA）将潜在的故障机制分为四个维度，并确定了11个关键的安全指标。然后，采用熵权重方法客观地确定指标权重，并构建了一个基于加权几何平均值的改进型SOS模型。使用相关文献和数据集中的100个样本进行的验证实验表明，改进型模型在危险样本识别准确性方面优于传统的SOS方法，并减少了误报，同时保持了与数据驱动模型相当的性能，同时具备更好的可解释性和工程适用性。

引言

结构电池是一种多功能系统，其中承载载荷的成分和电化学组件被集成到同一材料或结构元素中。与传统设计相比，它们为减少飞机、电动汽车和其他对重量敏感的平台的寄生质量并提高系统级效率提供了有希望的途径[1]，[2]。在现有的概念中，基于碳纤维的结构电池特别受到关注，因为碳纤维可以同时提供机械增强、电子导电性和锂存储能力[3]，[4]。

尽管具有这些优势，安全性仍然是实际应用的主要障碍。在碳纤维复合结构电池中，电化学循环在机械约束下进行，而应力、界面损伤、离子传输、反应动力学以及在某些情况下的热效应以强耦合的方式演变[5]，[6]。因此，退化不能仅用传统的电池指标（如电压或容量）来解释，也不能仅用复合材料损伤来解释。最近的实验在多功能性能方面取得了显著进展，包括具有改进的刚度、强度和电化学输出的结构电池[7]，[8]。然而，这些进展也突显了在耦合操作条件下评估安全状态需要更系统的框架。

目前与结构电池安全相关的研究大致可以分为三类。第一类涉及材料和架构。最近的综述总结了层压和全纤维结构电池的概念、基于碳纤维的电极、结构电解质和制造方法，表明该领域已经从概念验证阶段发展到性能平衡的设计[9]。代表性研究报道了基于碳纤维负电极、涂层正电极和混合或凝胶结构电解质的多功能电池和层压体[10]，[11]。这些研究对于确定结构电池的可行性至关重要，但它们的主要重点通常是电化学-机械性能的权衡、可制造性或多功能效率，而不是明确的安全状态量化。

第二类涉及多物理场分析和建模。现有的综述和耦合模型表明，结构电池必须被视为电化学-机械系统，在实际使用条件下，额外的热效应和界面效应变得非常重要[5]，[44]。这些研究阐明了应力辅助扩散、电极架构和界面行为在结构电池的电压和变形响应中的作用[6]。然而，大多数这类工作都是以机制为导向的。虽然提高了物理理解，但并没有直接提供一个用于选择安全指标、分配其相对重要性并将它们结合成定量安全状态测量的工程框架。

第三类来自更广泛的锂离子电池安全文献。最近的研究越来越多地依赖于多参数监测、数据融合和早期预警策略，而不仅仅是单参数判断[12]，[13]。这一趋势非常相关，因为它表明可信的安全评估应该整合多个可观测变量。然而，为传统锂离子电池开发的方法不能直接应用于结构电池，因为在结构电池中，承载能力、复合材料损伤、环境暴露和电化学退化是紧密交织的。因此，尽管现在已经有了重要的基础，但针对结构电池的安全评估方法仍然不够完善。

根据上述文献回顾，声称关于结构电池的全面研究完全缺失是不准确的。相反，最近的综述文章已经广泛涵盖了结构电池的概念、基于碳纤维的电极和多物理场行为[4]，而代表性的实验也展示了越来越成熟的结构电池原型[10]，[11]。更准确地说，目前还缺乏一个被广泛接受的结构电池定量安全状态评估框架。特别是，当前的研究很少将机械完整性、电化学行为、环境效应和耦合相关的退化整合到一个统一的、基于指标的评估程序中。

这一结论也是基于该领域目前可用的数据资源。在准备这项研究时，我们考虑了最近的综述文章、代表性的实验和建模论文以及与电池退化和结构电池实验相关的公开可访问的数据集。公共资源包括一般的锂离子电池老化数据集，例如NASA Ames的PCoE锂离子电池老化数据集[14]，以及特定文章的结构电池数据集，例如Moyer等人的数据集[15]。此外，一些最近的结构电池研究报告称，他们的数据将按需提供，而不是通过标准化的公共基准[9]。因此，据我们所知，目前还没有一个同时包含碳纤维复合结构电池的机械、电化学、热和环境变量所需的开放基准数据集。考虑到碳纤维复合结构电池安全故障的多源和层次特性，本研究选择了故障树分析（FTA）作为基本分析框架，因为它支持自上而下的因果分解，并为后续的最小割集分析和关键指标筛选提供了明确的基础。

因此，本研究的目标不是重新证明结构电池的可行性，而是开发一个系统化且可解释的安全状态评估框架。为此，首先将碳纤维复合结构电池的故障机制组织成一个工程导向的分析基础；然后根据可观测性和工程可量化性筛选关键安全指标；最后，将这些指标整合成一个碳纤维复合结构电池的定量安全状态评估方法。这项工作旨在为安全评估提供更清晰的方法论基础，并支持结构电池系统的安全设计和实际应用。

章节片段

碳纤维复合结构电池安全故障的故障树构建

根据引言中总结的故障特性，构建了一个故障树框架来描述碳纤维复合结构电池安全故障的因果结构。故障树分析（FTA）是一种演绎性的、自上而下的安全分析方法，它从一个不希望发生的顶事件开始，通过逻辑门关系系统地将其分解为较低级别的事件和基本原因[16]。与纯粹描述性的故障分析相比，FTA提供了

经典SOS方法的理论模型

锂离子电池的安全状态（SOS）是一个定量指标，用于表征在当前操作条件下避免突然危险事件（如热失控、火灾或爆炸）的概率。其核心理论逻辑基于安全与“滥用”之间的反比关系。“滥用”具体指的是电池在服务过程中承受的超出额定工作边界的应力条件，包括单一或组合场景

经典SOS模型与改进型SOS模型之间的电池安全监测性能比较分析

为了评估改进型SOS方法在结构电池多维安全监测中的优越性，将经典SOS模型和改进型SOS模型应用于从数据集中构建的同一组100个集成评估样本，相应的结果如图11所示。对于每个样本，首先使用相应的模型计算SOS值。在改进型SOS模型中，保留的11个指标被转换为特定指标的

结果与展望

结果表明，改进型SOS模型比经典SOS模型提供了更有效的结构电池安全多维表示，平均绝对相关系数从0.7025增加到0.9018。与随机森林基准相比，改进型SOS模型还获得了更好的整体可解释性，同时保持了有竞争力的分类性能，包括更高的召回率（0.86 vs. 0.78）和更低的误报率（0.12 vs. 0.19）

CRediT作者贡献声明

杜春志：项目管理、方法论、资金获取、概念化。周静：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

所有作者都已阅读并同意手稿的发表版本。

致谢

作者感谢中国中央高校基本科研业务费的财政支持，资助编号（3122024057）。