冲击对汽车结构嵌入式锂离子电池的影响
中国的研究人员正在研究低速冲击载荷对车辆中结构嵌入式锂离子电池的影响。相关研究论文发表在《电源杂志》上。
为了减少燃料消耗和温室气体排放，电动汽车 (EV) [[1]、[2]、[3]、[4]]、航空航天 [5] 和船舶等行业正在采取两种主要方法[6]：电气化与结构轻量化。三明治复合材料越来越多地用于底盘和车身面板等结构部件，以实现轻量化设计。在电气化方面，锂离子电池（LIB）凭借其优异的循环性能和电化学储能特性，被广泛应用于电动产品和设备中。然而，与传统汽车相比，电动汽车需要更大的电池组来增加续航里程，其中往往包括笨重的包装材料，从而显着增加整体结构的重量和体积。一种解决方案是利用结构储能复合材料来提高储能效率[7]。这些复合材料可以在单个工程结构中充当结构元件和分布式储能单元，从而减少整个系统的体积和质量。
目前，结构储能复合材料主要有两种类型。
第一类涉及修改复合材料的增强体和基体或锂离子电池的结构，以实现结构储能复合材料[8,9]。这些多功能复合材料可以通过采用碳纤维增强材料和聚合物基体分别作为电极和电解质来设计[[10]、[11]、[12]]，从而增强电池的承载能力。然而，这种结构储能复合材料的能量密度和功率输出尚未达到实用要求，进一步的研究应集中于实现结构功率复合材料的高能量密度和稳定的电性能[13,14]。
第二种是使用直接嵌入锂离子电池的多功能复合板来提供承重和储能功能。由于高能量密度和高充放电倍率，内部锂离子电池具有相对良好的电化学储能性能，同时也可以受到复合结构的保护。这种多功能结构在技术上相对容易制造，已应用于航空航天和汽车行业[15]，例如无人机[16]、立方体卫星[17]、人造卫星[18]和特斯拉Model Y[19] ]。
包含电池的复合结构的实际实施需要了解电池嵌入对机械负载条件下嵌入电池的结构机械性能和安全行为的影响。之前的几项工作已经研究了这些方面。
托马斯等人[20]发现含有两个锂聚合物电池的CFRP（碳纤维增强聚合物）/SAN（苯乙烯丙烯腈）夹层复合材料表现出弯曲模量增加，但弯曲强度大幅降低。
另一方面，加洛斯等人[21]报道，将小尺寸锂聚合物电池嵌入夹层复合材料的PVC泡沫芯内，对弯曲载荷下的刚度和强度性能没有显着影响，并且内部软包电池的内阻和容量没有改变。
阿塔尔等人[22]表明嵌入式电池对层压板的压缩刚度、失效应力和疲劳寿命有负面影响。层压板和夹层结构的力传递路径不同，因此用电池替代部件对复合结构的力学性能有不同的影响。
帕塔拉昆南等人[23]发现，插入一个或多个电池会降低CFRP层压板的拉伸模量和失效应力，而不会改变泡沫芯夹层复合材料的拉伸刚度和强度。
在某些场景下，多功能复合板在使用过程中可能会发生碰撞事故，例如电动汽车可能发生碰撞、无人机可能坠毁、便携式电子设备可能掉落等。所以，抗冲击性能是多功能储能复合结构结构完整性和安全设计的关键因素。在这方面，帕塔拉昆南等人[24]研究了含有锂离子聚合物电池的储能复合材料结构的冲击损伤容限，发现层压板和夹层复合材料内部电池的容量和内阻在相对较低的冲击能量（低于6 J）下没有受到显着影响。对于裸电池，机械滥用加载很容易引发内部短路（ISC）和热失控（TR）[25,26]，机械滥用下电池的机械-电化学-热耦合行为已经得到了很好的预测和研究张等人从多学科的角度使用提出的耦合模型[[27]，
尽管先前的研究重点关注嵌入电池的复合材料面板在各种机械条件下的机械行为，但尚未研究多功能复合材料在冲击载荷作用下的机电耦合行为和冲击后性能演变。此外，对于实际使用条件，确定嵌入式电池的剩余性能和演变至关重要，这些电池不会因多功能结构损坏而引起内部短路或热失控，并且可以继续运行以供将来使用[30]。
为此，这项工作设计并制造了一种嵌入软包锂离子电池的多功能复合材料结构，以实现储能结构一体化设计。然后进一步研究了嵌入锂离子软包电池的多功能夹层复合结构在低速冲击载荷下的机械-电化学耦合响应和剩余性能。在本文的其余部分安排如下。第2节介绍了多功能夹层复合材料的制造过程和多学科表征方法。第 3 节介绍了冲击加载过程中的机电耦合响应。第 4 节讨论了嵌入式电池的性能演变，然后通过充放电循环和损伤表征阐明了嵌入式电池冲击引起的容量衰减机制。
结果表明，嵌入式设计可以有效保护电池免受严重内部短路的影响，但性能会出现不同程度的下降。嵌入锂离子电池的多功能复合结构在冲击载荷后仍能良好运行，展示了其在耐冲击电化学储能集成结构中的潜在应用前景。
参考文章：
Honggang Li, Dian Zhou, Junchao Cao, Zhihao Li, Chao Zhang (2023) “On the damage and performance degradation of multifunctional sandwich structure embedded with lithium-ion batteries under impact loading,” Journal of Power Sources, Volume 581 doi: 10.1016/j.jpowsour.2023.233509
