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单层陶瓷涂层Discover蓄电池隔膜的力学表征及其变形的有限元建模
摘要
电池隔膜的力学表征为材料级有限元模型提供了输入数据。本研究调查了从商用37 Ah石墨/NMC软包电池中提取的组件，重点关注铝制单层2在无盐EC:DMC中处理的涂层聚烯烃隔膜。对单层进行贯穿厚度压缩，并与34层堆叠以及先前报道的相同隔膜和处理条件的100层数据进行比较；两种堆叠配置均显示出与单层响应不同的相似趋势。拉伸测试表征了纵向、横向和45度方向，结果显示在大致相似的应力水平下，纵向的断裂伸长率更大。单层压缩在记录的卸载过程中表现出非线性加载和不完全恢复；这些观察结果并不能唯一确定潜在的变形机制。测得的压缩和主方向拉伸响应支持LS-DYNA中MAT_126的参数化。均方根误差低于最大应力的1.3%，量化了校准的一致性，而非独立验证。多层模拟揭示了内部应力分布，以及可能导致单层与堆叠压缩响应差异的因素。实验表征与材料级模拟相结合，突显了单层测试在隔膜模型校准中的价值，并为进一步开发用于碰撞应用的电池模型奠定了基础。3-coated polyolefin separator conditioned in salt-free EC:DMC. Through-thickness compression of single layers is compared with 34-layer stacks and previously reported 100-layer data for the same separator and conditioning; both stack configurations show similar trends that differ from the single-layer response. Tensile tests characterize the machine and transverse and 45-degree directions, showing greater elongation at failure in the machine direction at broadly similar stress levels. Single-layer compression exhibits nonlinear loading and incomplete recovery during recorded unloading; these observations do not uniquely identify the underlying deformation mechanisms. The measured compression and principal-direction tensile responses support the parameterization of MAT_126 in LS-DYNA. Root-mean-square errors below 1.3% of the maximum stress quantify calibration agreement, not independent validation. The multilayer simulation provides insight into the internal stress distribution and possible factors contributing to differences between single-layer and stack compression responses. Together, the experimental characterization and material-level simulations highlight the value of single-layer testing for separator model calibration and provide a basis for further development of battery models for crash applications.
1. 引言
对可持续交通的需求日益增长，以及二氧化碳排放量的减少，加速了锂离子电池（LIBs）的开发与应用，使其成为电动汽车（EVs）和固定式储能的关键技术[2]。锂离子电池具有高能量密度和长循环寿命，使其成为当前能源转型中的核心[1,2]. LIBs offer high energy density and long cycle life, making them central to the ongoing energy transition [3].
随着锂离子电池不仅作为能量载体，还越来越多地作为车辆结构设计中的集成组件，其在运行和事故载荷条件下的机械完整性变得至关重要[4]。数值模拟被广泛用于评估电池的变形和安全性[4,5,6]。电芯组件级模型需要单个组件在相关载荷条件下的可靠变形数据；此类数据是随后预测失效和内部短路的前提条件。
在这些组件中，隔膜通过防止正负极直接接触同时保持离子导电性，发挥着至关重要的作用。它在机械应力下（特别是压缩或穿透形式）的失效可能导致内部短路和安全关键事件[7]。为了提高机械和热稳定性，现代锂离子电池越来越多地使用陶瓷涂层隔膜（CCSs），其由涂有无机颗粒的聚烯烃基材组成，例如 [8,9].
尽管CCS被广泛使用，但由于隔膜厚度较薄（通常为10–30 μm），其厚度方向的响应仍难以表征。因此，在多项研究中使用了堆叠试样[10,11,12,13,14]。堆叠会引入额外的界面和接触条件，因此表观的堆叠响应不应自动被解释为单层材料的固有特性。Schmid等人[15] 此前已将干隔膜的单层压缩表征纳入多尺度建模框架。本研究在此基础上，将单层压缩测试应用于溶剂处理后的陶瓷涂层隔膜。
具体贡献在于对所研究的陶瓷涂层隔膜的溶剂处理单层进行厚度方向表征，并将其与多层试样进行比较。相对于Kolm等人[12]，他们使用100层堆叠在相同的无盐处理条件下研究了相同的隔膜，本研究补充了单层数据和34层对比数据。机器方向（MD）、横向（TD）和对角线拉伸测量补充了该数据集。电极和集流体压缩测试提供了额外的组件表征。数值部分利用这些数据对LS-DYNA中现有的各向异性材料模型MAT_126进行参数化，量化了校准一致性，并探索了隔膜堆叠内部的应力分布。本研究侧重于变形响应；失效预测和电池级碰撞验证超出了其研究范围。
2. 方法
2.1. 试样制备与测试装置
试样取自商用37 Ah软包电池，该电池采用石墨负极和镍锰钴氧化物（NMC）正极。在拆解前，电池被深度放电至0 V终端电压。拆解在20 °C和相对湿度为。在放电前未对隔膜进行任何测量。电池由联合研究项目中的工业合作伙伴提供；制造商、电池型号及进一步规格未向作者披露，因此未予报告。放电电流或C倍率、持续时间或在0V下的保持程序、开封前的静置时间以及详细的电池历史记录也无法获取。报告中将放电至0V作为实际的制备程序，并不等同于正常运行下的标称0%荷电状态（SOC）。这些测量值表征了材料在放电、提取和调理后的状态；制备引起的尺寸和孔隙结构变化；或者机械响应无法被量化或排除。
隔膜被鉴定为铝2涂层聚烯烃薄膜。使用机械厚度计（ZwickRoell，德国乌尔姆）根据ISO 4593:1993标准在十个位置测量了其总厚度[3]；报告的23 μm值是这些测量值的算术平均值。未单独评估样品间的厚度差异。具体的基材成分、涂层厚度、孔隙率、孔径分布、面积密度和铝16载量均不可知。未通过充放电前后的表征来确定归因于放电或先前电池使用的变化。2O3 loading are unavailable. No before-and-after characterization establishes changes attributable to discharge or preceding cell use.
为了避免为了获得有意义的机械压缩性能而必须堆叠多个给定组件的薄条，使用了由德国乌尔姆ZwickRoell GmbH & Co. KG生产的zwickiLine Z2.5 TN万能材料试验机及薄层压缩测试装置。该装置最初由ZwickRoell为造纸工业实验开发，最大力等级为200 N，使用5 mm圆形时产生的最大应力为40 MPa2压缩压盘。该装置能够对单层试样进行高分辨率压缩测试，精度达0.5 μm（参见图1).
图1。ZwickRoell测试机设置：（1）单层隔膜条带和（2）插入辅助装置，后者在测试开始前移除。
每组测试后都会对设备进行重新校准，并且在每次单独测试后，压缩压盘和试样接触面都会被仔细清洁。对于拉伸测试，使用了同样来自德国乌尔姆ZwickRoell GmbH & Co. KG公司的zwickiLine Z1.0 TN（图1).
使用专用刀片将试样切割成15毫米宽的条状。省略了包含z折叠隔膜折痕的区域。隔膜和电极试样在碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯（EC:DMC，体积比3:7）中浸泡至少30分钟，未添加LiPF等锂盐。6集流体在干燥状态下进行测试，如表1所示。此处，“湿”是指这种溶剂处理程序，并不代表制造工艺。浸泡时间是采用的既定方案；未针对特定隔膜进行饱和时间研究。
表1。压缩测试矩阵。
2.2. 压缩测试
表1列出了保留的压缩测试：七项单层隔膜测试、五项堆叠测试、每种电极五项测试以及每种集流体六项测试。压缩测试最多重复十五次，以每系列至少获得五个保留响应。由于没有系列超过十五次尝试，每个压缩系列中至少保留了三分之一的尝试（对于单层隔膜，最多十五次中至少保留七次）。每个系列的精确尝试总数和完整的拒绝日志不可用。切割缺陷和边界条件的变化被确定为实验关注点；选择程序及其局限性在“数据处理与选择”章节中有详细说明。所有机械测试均在20°C和50%相对湿度下进行。
压缩加载使用了一个接触面积为的圆形压盘mm，相当于直径约2.52毫米。15毫米宽的条带延伸至冲头足迹之外，冲头位于条带宽度中心。堆叠由34层单独的隔膜层叠放而成。具体的条带长度和支撑尺寸未知；未独立量化试样边缘和支撑效应。施加0.4 N的预载荷10秒，以建立接触并减小初始层间间隙。在预载荷状态下测量堆叠参考高度。这并不意味着所有微观间隙都被消除。随后以0.3毫米/分钟的速度加载至200 N，对应40 MPa的标称应力。该终点是规定的力限制，而非测得的材料失效阈值。