冲击载荷下动力锂电池力学—电化学耦合行为研究

Lithium-ion batteries are prone to severe safety problems such as fire, explosion or secondary accident after the electrochemical failures; and there are theoretical difficulties for lithium-ion battery behaviors in mechanical-electrochemical coupled fields. Therefore, crash safety of lithium-ion batteries becomes a hot topic and emerging engineering problem. This project aims at a typical scenario as internal short-circuit and thermal runaway problems for lithium-ion batteries upon dynamic loading, analyze the mechanical behaviors to establish a rate-dependent, anisotropic and electrochemical status dependent constitutive models, failure models and establish a detailed fully coupled computational model. Research targets to unravel the behavior mechanism of material constitutive model considering electro-chemistry, clarify the influences among material failure and electrochemical status and underline the bottleneck of computation method for mechanical-electrochemical behaviors for lithium-ion battery. Results may enrich the frontier theories of dynamic constitutive models and multiphysics coupling, and lay a strong foundation for design and evaluate the impact safety of lithium-ion batteries.

电动汽车锂电池在冲击载荷下易引发起火、爆炸等重大工程安全问题，同时事故过程蕴含的力学—电化学耦合行为高度复杂，因此动力锂电池冲击安全行为已成为前沿理论研究热点与亟待解决的工程难题。本项目针对锂电池在冲击载荷下发生内短路及热失控这一典型事故过程，拟开展锂电池组分材料及单体结构的典型动态力学行为实验研究，建立计及率效应、各向异性以及电化学状态的材料动态本构模型和失效模型，构建电池单体力学—电化学耦合精细化计算模型；从而揭示考虑电化学状态的材料动态本构行为机理，阐明材料失效行为与电化学状态的相互影响机制，并突破电池材料的力学—电化学耦合计算模型瓶颈。本项目成果将丰富动态本构及多场耦合相关理论，为工程设计、评价高安全车用动力锂电池奠定基础。

电动汽车锂电池在冲击载荷下易引发起火、爆炸等重大工程安全问题，同时事故过程蕴含的力学—电化学耦合行为高度复杂，因此动力锂电池冲击安全行为已成为前沿理论研究热点与亟待解决的工程难题。本项目针对锂电池在冲击载荷下发生内短路及热失控这一典型事故过程，开展了从锂电池材料组分到电池单体的实验与模拟研究。对各材料组分开展了拉伸、压缩、压痕等实验获取材料参数，建立了计及率效应、各向异性以及电化学状态的材料本构模型和失效模型；基于X射线计算机断层扫描技术（CT）揭示了机械滥用导致电池短路的机理，建立了细致的电池单体力学计算模型，能够准确预测电池的力学行为。此外，对锂电池的电化学行为开展了细致的表征工作。建立了两种电池模型，包含一维电池模型用于描述电池充放电行为；另外建立了细化出电极颗粒的代表性体积单元模型，能够揭示出充放电过程中的析出锂在颗粒上的分布。最后，对锂电池的力学-电化学耦合行为开展了实验研究及建模表征工作。建立了电池颗粒尺度到电极尺度的多尺度力─电耦合模型框架来表征小载荷（未短路）状态下的力—电耦合行为；建立了一个细致多物理场模型，包括力学模型、短路模型和电池模型，能够准确预测不同机械载荷导致不同的电池短路行为。本项目突破了电池材料的力学—电化学耦合计算模型瓶颈，丰富了动态本构及多场耦合相关理论，为工程设计、评价高安全车用动力锂电池奠定基础。