論文題目：Influence of component properties on the mechanical response of lithium-ion battery jellyrolls subjected to indentation: Quick prediction and parametric study

論文地址：https://doi.org/10.1016/j.est.2025.116612

期刊名稱：Journal of Energy Storage

文獻(xiàn)引用：

Zhao T, Zhang S, Teuwsen J, Xu Z, Xia Y, Qu Y. Influence of component properties on the mechanical response of lithium-ion battery jellyrolls subjected to indentation: Quick prediction and parametric study [J]. Journal of Energy Storage, 2025, 122: 116612.

高能量密度動力電池廣泛應(yīng)用于新能源車輛，但在機(jī)械外載下存在結(jié)構(gòu)失效與熱失控風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)有研究的共識是機(jī)械濫用內(nèi)短路由隔膜斷裂決定，但缺乏對電芯結(jié)構(gòu)失效受組分性能變化影響的透徹分析。本文聚焦電池卷芯的擠壓力學(xué)響應(yīng)，建立精細(xì)化有限元模型與 Kriging 代理模型，結(jié)合參數(shù)敏感性分析，系統(tǒng)揭示了關(guān)鍵組分性能對失效演化及內(nèi)短路風(fēng)險(xiǎn)的作用機(jī)制，為電池安全設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

模型與快速預(yù)測框架

建立電池卷芯精細(xì)化有限元模型，基于力學(xué)測試數(shù)據(jù)標(biāo)定了五種組分材料力學(xué)參數(shù)，使得精細(xì)化模型可準(zhǔn)確預(yù)測極片層疊壓縮與卷芯柱面擠壓力學(xué)響應(yīng)。為實(shí)現(xiàn)組分性能變化下電池卷芯擠壓響應(yīng)的快速預(yù)測，基于拉丁超方采樣方法構(gòu)建仿真數(shù)據(jù)集，覆蓋了關(guān)鍵組分力學(xué)性能的實(shí)際變化區(qū)間，建立了 Kriging 代理模型。

圖1. 擠壓工況電池卷芯的精細(xì)化模型

卷芯失效演化

通過精細(xì)化仿真分析，追蹤了卷芯擠壓過程中的局部應(yīng)變集中與失效演化。在剪應(yīng)力作用下，壓頭肩側(cè)的活性涂層容易發(fā)生滑移失效，壓頭下方區(qū)域則因集流體斷裂誘導(dǎo)涂層破壞，且集流體斷裂進(jìn)一步加速了鄰近集流體與隔膜破壞。

圖2. 卷芯結(jié)構(gòu)斷裂特征

參數(shù)化分析

通過有限元仿真和代理模型計(jì)算分析，探究了組分相互作用以及卷芯擠壓響應(yīng)的參數(shù)敏感性?？梢钥吹?，集流體斷裂主導(dǎo)卷芯結(jié)構(gòu)整體破壞；提前失效的涂層可誘發(fā)鄰近集流體斷裂，加速卷芯結(jié)構(gòu)失效；隨著斷裂參數(shù)變化，集流體與涂層斷裂呈現(xiàn)競爭關(guān)系。整體結(jié)構(gòu)剛度軟化有助于緩解局部集流體變形集中，延緩卷芯斷裂。隔膜斷裂直接引發(fā)內(nèi)短路，集流體破斷后隔膜失效顯著加速，但隔膜自身性能變化對卷芯整體擠壓影響有限。

圖3. 卷芯結(jié)構(gòu)中集流體失效順序分析

組分相互作用分析發(fā)現(xiàn)，集流體提前斷裂對卷芯結(jié)構(gòu)破壞有更顯著的誘導(dǎo)；負(fù)極涂層對集流體斷裂的影響比正極涂層更為突出，軟化負(fù)極涂層能夠更有效延后卷芯斷裂。

圖4. 集流體失效參數(shù)變化和正負(fù)極涂層剛度變化對卷芯結(jié)構(gòu)失效的影響

小結(jié)主要影響因素和相互作用可知，提升較弱集流體的強(qiáng)塑積，可在卷芯擠壓工況中顯著延后斷裂；為防止活性涂層失效誘導(dǎo)較弱集流體提前破壞，可適度軟化負(fù)極涂層；單純提高隔膜延展性難以有效延遲內(nèi)短路，考慮到集流體斷裂的結(jié)構(gòu)失效主導(dǎo)作用，應(yīng)協(xié)同優(yōu)化各組分性能參數(shù)，全面提升機(jī)械外載下的卷芯安全性。

圖5. 卷芯結(jié)構(gòu)中集流體失效順序分析

總結(jié)與展望

本研究基于精細(xì)化建模與 Kriging 代理模型，系統(tǒng)分析了電池卷芯擠壓工況的失效演化及組分性能影響機(jī)理。指出了卷芯結(jié)構(gòu)失效的“短板效應(yīng)”，明確了最弱集流體對整體結(jié)構(gòu)失效的主導(dǎo)作用，揭示了涂層滑移破壞與集流體斷裂的競爭協(xié)同機(jī)制。依托代理模型，本研究實(shí)現(xiàn)了組分性能變化下卷芯力學(xué)響應(yīng)與失效風(fēng)險(xiǎn)的快速預(yù)測。