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清華周青教授團隊-MIT最新合作電池精細(xì)化力學(xué)模型

2019-06-26 00:19:03·  來源：汽車安全與輕量化  作者：朱俊兒，李威  
　
最近，清華大學(xué)周青教授團隊與美國麻省理工學(xué)院Wierzbicki教授團隊合作，針對鋰離子電池開發(fā)了一款精細(xì)化力學(xué)模型。該模型可以準(zhǔn)確預(yù)測電池單體在外界機械載荷下
最近，清華大學(xué)周青教授團隊與美國麻省理工學(xué)院Wierzbicki教授團隊合作，針對鋰離子電池開發(fā)了一款精細(xì)化力學(xué)模型。該模型可以準(zhǔn)確預(yù)測電池單體在外界機械載荷下變形過程中的力-位移響應(yīng)、峰值力、斷裂位移，短路時刻，以及斷裂模式。這項工作近日被發(fā)表在力學(xué)領(lǐng)域頂級期刊《國際塑性力學(xué)學(xué)報》(International Journal of Plasticity)上。文章的通訊作者為清華大學(xué)夏勇副研究員(xiayong@tsinghua.edu.cn)和麻省理工學(xué)院朱俊兒博士(zhujuner@mit.edu)，由朱俊兒博士和周青教授團隊李威博士擔(dān)任共同一作。

汽車的電動化已經(jīng)成為目前世界工業(yè)界最令人注目的重要趨勢之一，其基礎(chǔ)是高速發(fā)展的鋰離子電池技術(shù)。但隨之而來的是嚴(yán)重的電池安全問題，讀者們可以從近來頻繁被報道的特斯拉和蔚來電動車著火事故中窺見一斑。據(jù)Wikipedia的不完全統(tǒng)計[1]，目前被媒體報道過的電動車起火事故，近一半是由外界機械載荷直接引起。例如2014年發(fā)生在西雅圖和2018年發(fā)生在新澤西的兩起特斯拉汽車起火事故，均是由于高速公路上殘骸物體與車輛發(fā)生碰撞入侵電池模塊造成。如何對這一類電池機械變形工況進行準(zhǔn)確表征一直是學(xué)界和工業(yè)界亟需共同解決的問題。

解決該問題最大的難度在于目前商業(yè)化鋰離子電池的獨特結(jié)構(gòu)：一種多孔顆粒介質(zhì)涂層和金屬箔交替堆疊的多層結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)的一個最小代表單元中，就有多達五種材料：陰極涂層，陰極集流體（鋁箔），陽極涂層，陽極集流體（銅箔），以及介于其間的塑料隔膜。這種獨特的結(jié)構(gòu)兼具多孔顆粒介質(zhì)的可壓縮性和復(fù)雜的屈服與塑性流動，金屬材料的延展性和韌性斷裂特征，以及由多層結(jié)構(gòu)帶來的各向異性。

圖1 電池內(nèi)部最小代表單元

表1 電池內(nèi)部組分材料、厚度以及力學(xué)表征模型

目前對電池結(jié)構(gòu)進行建模的策略可分為三種：忽略組份材料差異性的“均質(zhì)化模型”，針對一個最小重復(fù)單元的“代表體積單元模型”，以及將所有材料和界面都準(zhǔn)確表征的“精細(xì)化模型”。其中，精細(xì)化模型所需的材料測試與標(biāo)定工作量最多，建立模型的成本和難度也最大。正因如此，盡管國內(nèi)外研究團隊甚多，但精度令工業(yè)界接受的精細(xì)化模型仍然處于空缺狀態(tài)。

麻省理工學(xué)院的Wierzbicki教授團隊和清華大學(xué)周青教授團隊在電池力學(xué)建模方面的研究已有九年歷史。這期間，雙方合作在電池組分材料的塑性力學(xué)模型以及組分間的界面強度進行了大量的細(xì)致工作，對上述的五種材料一一進行了詳細(xì)的測試和表征。本次發(fā)表在《國際塑性力學(xué)學(xué)報》上的工作正是在這九年研究成果的基礎(chǔ)上進行的。最終使這一精細(xì)化模型得以實現(xiàn)的是麻省理工學(xué)院團隊近期完成的對電極涂層多孔顆粒介質(zhì)的力學(xué)表征，包括如圖2 所示的三類實驗。有興趣的讀者在閱讀本文的同時可以參考該團隊去年發(fā)表于Journal of the Electrochemical Society的另一篇文章[2]。

圖2 用于標(biāo)定涂層材料力學(xué)本構(gòu)模型的三類實驗

基于組分材料方面的大量細(xì)致的工作，清華-MIT團隊在Abaqus中建立了精細(xì)化的有限元模型，如圖3 所示。該模型共有20層陰極/隔膜/陽極/隔膜的最小重復(fù)單元，最小網(wǎng)格尺寸為0.1毫米，總單元數(shù)量為21000個。

圖3 軟包電池精細(xì)力學(xué)模型

模型可以非常準(zhǔn)確地預(yù)測電池單體在局部壓縮工況下的力學(xué)響應(yīng)。圖4 展示了兩種不同壓縮工況：半圓球入侵和圓柱體入侵。模型均可以提供非常準(zhǔn)確的力-位移響應(yīng)預(yù)測。這一結(jié)果也直接驗證了組分尺度材料表征的準(zhǔn)確性。

圖4 力-位移曲線的模型預(yù)測和試驗數(shù)據(jù)對比：（a）半圓球入侵，（b）圓柱體入侵

另一方面，模型也可以準(zhǔn)確預(yù)測變形中的應(yīng)變集中現(xiàn)象（圖5）。研究團隊認(rèn)為這是一種在顆粒涂層介質(zhì)中觸發(fā)并向整個電池多層結(jié)構(gòu)傳播的特別現(xiàn)象。對各組分材料引入各自的斷裂準(zhǔn)則之后，該精細(xì)化模型具備了表征剪切斷裂的能力。

圖5 擠壓工況下的應(yīng)變集中現(xiàn)象

圖6 展示了模型對圓柱體入侵工況的模擬結(jié)果，幾乎完美地重現(xiàn)了實驗后電池的CT掃描結(jié)果！

圖6 圓柱體入侵下斷裂形貌的仿真模擬和試驗CT掃描結(jié)果對比

綜合以上結(jié)果，這一精細(xì)化電池力學(xué)模型可以準(zhǔn)確預(yù)測電池單體在外界機械載荷下變形過程中的力-位移響應(yīng)（包括峰值力、斷裂位移）、短路時刻，以及斷裂模式。文中，作者們利用這一模型對電池的變形機理進行了詳細(xì)的分析和闡述，在此不再一一列舉。

事實上，該模型的精度已受到多家汽車和電池企業(yè)的認(rèn)可，并得到了其資助。在文章的末尾，作者們致謝了奔馳汽車、捷豹路虎、福特汽車、奧地利李斯特內(nèi)燃機及測試設(shè)備公司、日本村田制造所、標(biāo)致雪鐵龍等企業(yè)。同時，清華團隊的研究受到了中國自然科學(xué)基金的支持。
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