本文的背景是高速增長的電動(dòng)車市場(chǎng)以及伴隨而來的電池安全問題。隨著電動(dòng)車的保有量不斷增加，當(dāng)電動(dòng)車事故的數(shù)量與傳統(tǒng)燃油車的事故數(shù)量相當(dāng)時(shí)，電動(dòng)車電池的碰撞安全問題將會(huì)更為凸顯。在汽車碰撞事故中，電池包有可能受到擠壓而嚴(yán)重變形，也有可能在無明顯變形的情況下發(fā)生沖擊過載，從而有一定的熱失控風(fēng)險(xiǎn)。這方面比較著名的一個(gè)案例就是2014年發(fā)生的TeslaModelS在高速行駛中發(fā)生地面物體撞擊而導(dǎo)致的事故，其電池包嚴(yán)重變形并發(fā)生熱失控著火。在可預(yù)計(jì)的將來，電動(dòng)車所搭載的電池容量將繼續(xù)增加，潛在風(fēng)險(xiǎn)更大，動(dòng)力電池的碰撞安全性問題已成為急需解決的問題。

相比于針對(duì)電池在熱和電濫用工況下的安全問題的研究，機(jī)械濫用工況下電池安全問題的研究相對(duì)較少。本文對(duì)目前有關(guān)電池單體、電池模塊以及電池包在機(jī)械載荷下變形與失效的研究進(jìn)行了梳理。從研究尺度上看，電池碰撞安全研究包括了電池組份材料、電池單體、電池模組與防護(hù)結(jié)構(gòu)以及電池包等各個(gè)層次，如下圖所示。電池碰撞安全研究的的主要目標(biāo)有：（1）理解機(jī)械載荷下電池單體的變形與失效特征以及與內(nèi)短路觸發(fā)的關(guān)聯(lián)性，最終建立單體、模塊或電池包的損傷判據(jù)和損傷容限；（2）建立兼顧計(jì)算精度與計(jì)算效率的有限元仿真模型，指導(dǎo)電池包防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

組分材料尺度研究。正極、隔膜和負(fù)極組成的層疊結(jié)構(gòu)是不同形式電池的基本組成單元。其中正負(fù)極由金屬集流體和涂敷在表面的涂層組成。電池單體組份材料的力學(xué)性質(zhì)，包括金屬集流體、正負(fù)極涂層和隔膜的力學(xué)性質(zhì)以及涂層與集流體之間的界面性質(zhì)，直接決定了電池單體的力學(xué)行為。與傳統(tǒng)金屬材料類似，金屬集流體的力學(xué)行為表征包括其塑性、韌性斷裂以及各向異性和率相關(guān)性，而主要困難在于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取。這是由于電池中使用的金屬集流體厚度較薄（10-25um），給試件的制備、夾持、加載以及測(cè)量都帶來一定困難。隔膜主要起到隔離正負(fù)極的作用，因此其力學(xué)行為特別是斷裂行為也直接影響了電池的內(nèi)短路發(fā)生。隔膜通常為高分子材料（PE、PP），其力學(xué)行為的表征較為復(fù)雜，包括彈性、塑性、斷裂以及材料方向、溫度和時(shí)間相關(guān)性等因素的影響。有關(guān)涂層材料以及涂層與集流體的界面性質(zhì)的研究目前相對(duì)較少。

電池單體尺度研究。電池單體是電池包的最小組成單元，在實(shí)驗(yàn)方面，為研究單體的機(jī)械失效模式及其與內(nèi)短路發(fā)生的關(guān)聯(lián)性，并且考慮到實(shí)際碰撞事故中，電池單體受到的加載工況較為復(fù)雜，需要進(jìn)行不同形式加載工況的實(shí)驗(yàn)。下圖列舉了電池單體典型的加載工況，包括面內(nèi)方向擠壓、面外方向擠壓（球形加載頭、圓柱面加載頭）和三點(diǎn)彎等。除了加載形式，還需要考慮單體帶電量以及加載速度的影響。

電池模塊尺度。與電池單體類似，電池模塊也需要考慮不同加載形式、帶電量和加載速度下的機(jī)械失效和熱失控現(xiàn)象。但電池模塊通常由成組的單體和其他附件組成，組成結(jié)構(gòu)較多，且整體能量較高，因此增加了實(shí)驗(yàn)和仿真的成本。目前文獻(xiàn)中公開發(fā)表的電池模塊試驗(yàn)和仿真內(nèi)容較少，下圖展示了清華大學(xué)周青教授團(tuán)隊(duì)發(fā)表的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出不同沖擊方向下電池模塊的機(jī)械破壞與熱失控現(xiàn)象有較大差別。

更全面的有關(guān)鋰離子動(dòng)力電池機(jī)械濫用工況下安全問題的研究現(xiàn)狀，可參考最近發(fā)表的綜述文章”Areviewofsafety-focusedmechanicalmodelingofcommerciallithium-ionbatteries”。論文中更為詳細(xì)的總結(jié)了近10年來的相關(guān)研究工作。