锂离子电池机械损伤的多尺度力-电化学-热耦合数值仿真模拟研究

This project intends to investigate the mechanical abuse induced short circuit of lithium-ion batteries for electrical vehicles application. Based on the complicated mechanical loading conditions of automotive structures during a realistic traffic accident, we will study the mechanical and electrical failure behavior of a lithium-ion battery cell, and the coupled mechanical-electrical-thermal responses. First, we will characterize the global mechanical deformation and internal failure behavior of the battery cell under static and dynamic loading conditions. Then we will develop a multi-scale coupled mechanical-electrochemical-thermal model to simulate the dynamic mechanical response of the battery cell and its components, and to predict the mechanical failure behavior and consequential electrical short circuit and thermal run away behavior. On the other hand, the numerical model will be correlated and validated through examining the cracking phenomena and internal damage behavior, and monitoring the global electrical and thermal responses. Based on the correlated model, we will predict and analyze the coupled failure mechanism of lithium-ion battery cell under various complicated mechanical abuse conditions, and explore the quantitative relationship of mechanical failure and short circuit. The achievements of this project will be helpful on the crashworthiness and safety design of lithium-ion battery structure in electrical vehicles.

本研究以探索电动汽车用锂离子电池的短路失效机制为出发点，基于在实际交通事故中汽车结构可能遭受的复杂力学载荷情况，分析锂离子电池单体的力学失效行为、短路失效机理和力电热多场耦合响应。通过动静态实验表征电池的宏观力学变形和内部的渐进失效行为，继而发展相应的多尺度力－电化学－热耦合模型，实现在宏观尺度上对锂离子电池单体以及介观尺度上对锂离子电池组分的动态力学响应的模拟，并对其力学失效行为进行模拟和分析，预测力学失效所导致的电短路行为及后续的电响应和热失控行为。另一方面，结合内部断裂形态和损伤行为的检测与宏观电热响应的监测，对所发展的数值模型进行校正和验证。基于所发展的数值仿真模型，对锂离子电池在复杂机械载荷下的耦合失效机理进行分析，揭示力学破坏行为对电短路行为的影响规律，指导电动汽车锂离子电池结构的抗撞击设计。

本项目围绕锂离子电池的碰撞安全性问题，以锂离子电池的机械损伤导致短路失效机制为出发点，研究了机械滥用导致锂离子电池的多尺度力-电化学-热多场耦合失效机理及相应的数值模拟方法。在科学研究方面，开展了锂离子电池电极和隔膜等组分材料的原位动态力学试验研究，测得了各组分的应变率相关力学性能和响应曲线，阐明了其率相关失效机理，为力学仿真建模提供了数据基础；建立了锂离子电池精细-半均匀化-均匀化多尺度力学模型，并对不同建模方法的计算效率和精度进行了系统的对比分析，为锂电池力学损伤失效分析提供了有效的方法；提出了基于实时耦合策略的力-电化学-热多场耦合模拟方法，实现了压痕载荷致锂离子电池短路的模拟和力-电化学-热耦合响应过程的预测，首次揭示了力学损伤失效和电短路之间的渐进演化关系；基于所建立的多场耦合模型，系统研究了锂离子电池机械滥用致短路的主要影响因素，阐明了电热响应对电池荷电状态和机械载荷条件的敏感性，为电池的安全防护和风险分析提供了理论依据；进一步的开展了锂离子电池及其集成结构在低速冲击载荷下的耦合失效行为，阐明了冲击能量对短路形式的影响机制，揭示了冲击损伤对电池储能和安全性能的影响规律。在科研成果方面，依托本项目已累计在Journal of Power Sources, Journal of The Electrochemical Society, Engineering Failure Analysis, eTransportation等国内外权威期刊发表研究论文7篇，作为组委会成员发起举办会议或分会场4次，发表会议报告8人次。在人才培养方面，本项目累计培养博士后1名、博士生2名、硕士生3名，其中联合培养毕业博士生1名、硕士生2名。本项目所取得的系列研究结果，揭示了机械滥用致锂电池内短路的多尺度力-电化学-热耦合机理，可为电动汽车和无人机用锂电池的抗冲击设计与安全防护提供理论和方法支撑，对锂离子电池的进一步推广应用具有重要意义。