人們目前對(duì)電動(dòng)車用鋰離子電池在碰撞工況下的力熱響應(yīng)尚未十分清楚，對(duì)電池及其組分材料的建模表征等研究也正在持續(xù)進(jìn)行。隔膜作為鋰離子電池中重要的組分材料，其失效會(huì)直接導(dǎo)致電池的正負(fù)極接觸而引發(fā)內(nèi)短路。所以深入研究電池隔膜的機(jī)械屬性，有助于從碰撞安全性的角度來選擇電池所用的隔膜。本文對(duì)四種電池隔膜進(jìn)行了試驗(yàn)，并以聚乙烯隔膜為例，建立了有限元模型。

前段日子，三星Galaxy Note 7手機(jī)因電池起火事故成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，據(jù)MIT教授Don Sadoway分析，這些電池起火很可能緣自壓制過緊的卷芯：一方面這種情況下隔膜更容易被正負(fù)極（如充電過程中負(fù)極表面析出的晶體等）刺破；另一方面隔膜上的孔隙被壓實(shí)導(dǎo)致電池內(nèi)阻增大溫升加劇[1]。由此可見電池隔膜對(duì)鋰離子電池的安全性起著重要的作用。除了手機(jī)等電子設(shè)備的應(yīng)用，鋰離子電池目前也廣泛用作電動(dòng)車輛的儲(chǔ)能設(shè)備。

然而，人們目前對(duì)電動(dòng)車用鋰離子電池在碰撞工況下的力熱響應(yīng)尚未十分清楚，對(duì)電池及其組分材料的建模表征等研究也正在持續(xù)進(jìn)行。隔膜作為鋰離子電池中重要的組分材料，其失效會(huì)直接導(dǎo)致電池的正負(fù)極接觸而引發(fā)內(nèi)短路。所以深入研究電池隔膜的機(jī)械屬性，有助于從碰撞安全性的角度來選擇電池所用的隔膜。本文對(duì)四種電池隔膜進(jìn)行了試驗(yàn)，并以聚乙烯隔膜為例，建立了有限元模型。

拉伸試驗(yàn)

參考標(biāo)準(zhǔn)ASTM D882設(shè)計(jì)條狀拉伸試件，總長(zhǎng)60 mm，標(biāo)距段長(zhǎng)35 mm，按寬度分為 5 mm、10 mm、15 mm、20 mm和25 mm五組。隔膜被夾在笛卡爾坐標(biāo)紙間，用剃刀沿機(jī)器方向（MD）、橫斷方向（TD）和兩個(gè)對(duì)角方向（+DD和-DD）共四個(gè)方向切成試件。試驗(yàn)在Instron 5944單向拉伸試驗(yàn)機(jī)上完成，拉伸速度為25 mm/min，用于測(cè)力的載荷傳感器量程100 N，而應(yīng)變由數(shù)字圖像相關(guān)法（DIC）得到。

卷裝隔膜的四個(gè)制件方向（MD、TD、+DD和-DD）

拉伸試驗(yàn)中四種隔膜的名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線

兩種干法隔膜各向異性明顯，MD方向的強(qiáng)度顯著高于另外兩個(gè)方向，并且-DD和+DD方向強(qiáng)度相同。濕法陶瓷涂層隔膜四個(gè)方向上強(qiáng)度相當(dāng)，但初始的彈性模量不同。無(wú)紡布隔膜強(qiáng)度很低，僅為高聚物隔膜的約五分之一，TD和MD下強(qiáng)度相近，但DD方向較弱。陶瓷涂層隔膜和無(wú)紡布隔膜在+DD和-DD方向下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系也不相同。

拉伸試驗(yàn)中四種隔膜的失效應(yīng)變對(duì)比

拉伸試驗(yàn)中四種隔膜的斷裂模式對(duì)比

干法隔膜三個(gè)方向下失效模式不同，陶瓷涂層隔膜三向下模式相似，無(wú)紡布隔膜失效應(yīng)變很小。

壓縮試驗(yàn)

40層直徑16 mm的圓形試件堆疊在一起，在200 kN MTS試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。預(yù)載0.5 MPa消除試件的層間間隙，然后加載至100 MPa，再卸載至零應(yīng)力。每種隔膜重復(fù)試驗(yàn)五次。

壓縮試驗(yàn)中四種隔膜的名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線和試驗(yàn)后的變形

干法隔膜具有很高的面內(nèi)各項(xiàng)異性，并且應(yīng)力應(yīng)變曲線上有明顯的屈服點(diǎn)。壓縮后陶瓷涂層隔膜和無(wú)紡布隔膜試件均保持圓形，而干法隔膜試件變形為以MD為主軸方向的橢圓。

穿孔試驗(yàn)

穿孔試驗(yàn)使用的夾具內(nèi)徑32 mm，半球狀加載頭用聚四氟乙烯制成以減小摩擦，直徑分別為3.175 mm、6.35 mm、12.6 mm和25.4 mm。試驗(yàn)在Instron Tabletop試驗(yàn)機(jī)上完成，加載速度為12 mm/min，直徑為25.4 mm的加載頭配合2 kN的載荷傳感器進(jìn)行試驗(yàn)，其余直徑的加載頭配合使用100 N的傳感器。

穿孔試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置（聚四氟乙烯加載頭，直徑為6.35mm）

穿孔試驗(yàn)中四種隔膜在不同直徑加載頭下的載荷-位移曲線

加載頭直徑為6.35mm時(shí)隔膜失效情況

無(wú)紡布隔膜穿孔強(qiáng)度最低而陶瓷涂層穿孔強(qiáng)度最高。干法隔膜在大加載頭下沿MD方向裂開，而陶瓷涂層隔膜和無(wú)紡布隔膜失效面積較小。

有限元建模（聚乙烯隔膜）

聚乙烯隔膜在三個(gè)加載方向上的力學(xué)性質(zhì)各不相同，同時(shí)拉壓屬性也不一致，考慮到這些以及其多孔的微觀結(jié)構(gòu)，選用LS-DYNA中的MAT_126材料進(jìn)行有限元建模。TD和MD方向的拉伸性質(zhì)直接使用試驗(yàn)獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，由于隔膜非常薄，其厚度方向的拉伸性質(zhì)無(wú)法獲得，假設(shè)與TD方向相同。試驗(yàn)只能獲得厚度方向的壓縮性質(zhì)，故假設(shè)三個(gè)方向下壓縮性質(zhì)相似。主方向下的剪切應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可從DD方向的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)中推算（應(yīng)力/應(yīng)變張量旋轉(zhuǎn)45°）得出，并假設(shè)三向相等。單向拉伸模型采用固體單元，網(wǎng)格大小為0.25×0.25×0.025 mm。模型一端固定，另一端以恒定的速度運(yùn)動(dòng)。穿孔模型中的失效準(zhǔn)則采用最大主應(yīng)變準(zhǔn)則，試驗(yàn)中TD方向下失效應(yīng)變最小，約為0.57。穿孔試件中部網(wǎng)格尺寸為0.125×0.125×0.025 mm，邊緣部分為0.25×0.25×0.025 mm。

單向拉伸和壓縮下的仿真

穿孔仿真以及和試驗(yàn)的對(duì)比

MD和TD方向下試驗(yàn)與仿真的側(cè)視圖對(duì)比

結(jié)論

單向拉伸試驗(yàn)中，干法的兩種隔膜各向異性更為明顯，這也可以從壓縮試驗(yàn)中看出（干法的兩種隔膜試驗(yàn)后變?yōu)闄E圓形，而陶瓷涂層隔膜和無(wú)紡布隔膜保持圓形）。濕法陶瓷涂層隔膜強(qiáng)度最高，而無(wú)紡布隔膜最低。不同隔膜的失效模式有明顯不同，濕法陶瓷涂層隔膜和無(wú)紡布隔膜在穿孔試驗(yàn)中破口面積小而圓，而干法隔膜則分別破開了一條大裂縫。LS-DYNA中的改良各向異性蜂窩模型可以很好地預(yù)測(cè)聚乙烯隔膜在各種試驗(yàn)下的載荷位移關(guān)系，并逼真地復(fù)現(xiàn)了穿孔試驗(yàn)中的各向異性變形和DD方向拉伸試驗(yàn)中的剪切變形。

本文主要內(nèi)容縮譯自本課題組畢業(yè)生張曉偉近期發(fā)表的論文[2]，感興趣的讀者可閱讀參考文獻(xiàn)以獲取更為詳盡的內(nèi)容。張曉偉是 MIT 機(jī)械工程系的博士研究生，從事車用動(dòng)力電池在機(jī)械載荷作用下的短路機(jī)理和建模研究。