锂离子电池机械完整性研究现状和展望

摘要：本文总结了车用锂离子电池机械完整性领域研究现状，指出了存在的问题，并明确未来的重要发展方向。在交通事故中受到机械过载，包括在振动与冲击、大变形、针刺等载荷条件下，锂离子电池会发生内部短路、温度升高、电池体内压强上升，从而导致热逃逸现象，最终有可能引发失火及爆炸等灾难性后果。这将影响车用锂离子电池的安全性，阻碍电动汽车的推广与应用。目前研究者从材料、单体、模组、系统等不同尺度，通过实验、理论、仿真等方法，考虑多物理场耦合机制多方位地对锂离子电池展开研究。

关键词：锂离子电池；机械完整性；多物理场耦合

1 锂离子电池机械完整性概念

锂离子电池机械完整性是指电池在受到机械过载条件下维持电池正常电化学功能的性质。以单体锂离子电池在机械过载条件下的安全行为为例：电池在受到碰撞载荷下结构发生大变形，从而导致内部组分材料失效，包括隔膜破裂或阴阳极材料断裂，进而引发内部短路022；内部短路产生大量的焦耳热从而导致单体电池结构中的材料分解，结构内部压强迅速增加与聚集，与此同时热逃逸现象产生；当压强达到结构承载极限会引发可能的失火与燥炸B3-25。上述单体电池机械完整性失效的产生过程是不可逆的，同时还会迅速向相邻单体电池传播，导致大面积.多米诺骨牌式的电池系统发生灾难性后果D6-7。该过程具有高度的非线性、复杂性，无法用单一的参数或准则来衡量电池机械完整性，因而，只有进行电池材料、电池单体、电池模组、电池包在过载下的失效安全设计（降低发生机械完整性失效的概率）与失效传播防护系统设计（减轻发生事故的严重程度）两者协同工作，才能够大幅提高车用动力电池系统的安全。

2 主要车用锂离于电池材料体系

将锂离子电池现有的或潜在的阴极材料和阳极材料。决定锂离子电池性能的主要因素是阴极材料，因而一般所说的锂离子材料体系以阴极材料命名。综合考虑材料体系的安全、成本、能量密度、电性能、原材料等条件，现有及未来可能成为新一代动力电池材料主要可分为LiFePO2、LiMn2O4、LiNi，Co，MngxO2、 LiNi，Co，Ala.yO2 及LiCoO2等几个体系。阴极材料现在用的比较多的是石墨和LiIi，O2 17-23，同时随着研究的深入Sn、Si/C复台材料、Si 等材料由于其良好的能量密度有望成为下一代锂离子电池的阳极材料（29-32]。

LiCoO2材料体系发展相对成熟，是目前用于大量生产锂离子电池的阴极材料。其循环性能好、容量高，但安全性能差、污染环境。近年来钴酸锂的市场占比逐年下降，由2011年的63.73%下降到2015年的250%，因此钴酸锂材料体系在未来电动汽车行业大量使用的可能性较小。

LiMn2O，阴极材料由于其出色的大电流充放电性能、环保、资源丰富、成本低等特点，正在成为锂离子体系的主流之一-04373 但是能量密度低和高温性能差是其最主要的缺点30。总体而言锰酸锂材料体系有望成为未来电动车行业大规模使用的材料体系之一。磷酸铁锂离子电池具有很高的热稳定性、循环性能、倍率性能，因此也成为锂离子体系的主流之一。其缺点是材料稳定性差、合成中质量控制困难.加工性能差、材料导电性差、低温性能差、能量密度偏低街。

对于三元材料（NCA和NCM）而言，由于其高电压和高能量密度的重要优点以及高、热稳定性好，成为现有锂离子阴极材料的后起之秀，被认为是下一代锂离子动力电池的主力军9，但其安全性差是制约其快速发展的主要原因之一。

此外，电解液和隔膜也是锂离子电池的重要组成部分。对于电解质而言，其主要由盐和溶剂组成。其常用的溶剂主要由碳酸乙烯脂（EC）、碳酸丙烯脂（PC）、碳酸丁烯脂（BC）、二甲基碳酸酯（DMC）、二已基碳酸酯（DEC）、乙酸乙酯（EA）等，最常用的盐主要有LiBF4、LiPF4、LiAsF%、 LiClO，等。

电解液的选取、配比对不同的材料体系有着至关重要的作用，文献[40]对电解液做了较为完整的综述。同时，隔膜也是维持锂离子电池机械完整性至关重要的-环，它置于阴极与阳极材料之间，用于防止两者的物理接触；同时也提供离子通道。根据结构与成分，隔膜可分为3种形式：微孔聚合物膜、无纺布垫及无机混

合物膜。込3狆隔膜都具有厚度薄、孔隙率高、熟穏定性好等代点。其中，徼孔聚唏怪膜在液体屯解液屯池中返用广泛。微孔聚合物膜現在主要有聚乙唏（PE）、聚丙唏（PP）、聚乙唏聚丙唏混合物（PE-PP）、高密度聚乙唏（HDPE） 4神主要材料。在迭取隔膜吋主要美注隔膜的化学穏定性、厚度、孔隙率、孔径、滲透性、机械彊度、可湿性、尺寸穂定性、熱收縮性、高温閉孔性、成本等因素。

3 锂离子电池机械完 整性研究的展望

锂离子电池机械完整性研究的关键前沿问题及工程技术瓶颈包括：

1）深刻理解锂离子电池的失效模式。

锂离子电池的失效模式多样，且很难用单一的物理量、准则或过程进行刻画。例如对于内部短路这- -常见的安全问题，明晰内部短路产生机制、传播行为，能够为降低内部短路风险及后果产生深刻影响。在此基础上，提出用于测试电池单体或模组的内部短路风险的实验标准及手段也具有重要意义。

此外，建立完善物理意义明确、简单易用、涵盖单体电池、电池模组、电池系统的失效开始以及传播物理模型或数值计算模型用于电动汽车动力电池机械完整性设计具有宝贵的工程指导价值。

2）提出有效的表征手段与系统。

锂离子电池发生机械完整性失效往往具有较长时间的孕育期。而一旦临界状态达到，在极短的时间内便发生不可逆转的失效。因此在现有车载电池管理系统中搭载类似的提前预警系统，能够极大程度上降低电池失效导致的灾难风险。

3）提高电池材料本身的机械完整性能。

由于电池阳板材料经常是锂离子电池中经常发生失效的材料，因此发展新型电池材料、新型材料選择方法与理论以及阳极材料电化学反应机制将成为研究重点。另一方面，更加深人地理解硅或合金材料的阴极电极材料在锂离子电池使用过程中的失效机理将成为亟待解决的问题。

4 结语

当前，中国已将新能源汽车业列为今后一个时期大力发展的战略性新兴产业之一，这就为锂离子电池打开了更为广阔的市场空间。同时，在电动自行车领域、航天领域、军事领域之中，锂离子电池也具有非常好的发展前景。笔者坚信，随着锂离子电池技术的进一步发展，锂离子电池所具有的性能必然会愈来愈高，其应用价值也会越来越大，并朝着高能量密度化、高功率化、大型化等趋势继续发展。

参考文献：

[1] 李明月.新型锂离子电池材料研究进展[J].化工生产与技术，2010（4）.

[2] 贾丰春.锂离子电池负极材料研究进展[J].辽宁化工，2011（11）.

作者简介：蒋彦璞，1983年9月10日，男，汉族，河南省新乡市，本科，助理工程师，机械设计。