人们目前对电动车用锂离子电池在碰撞工况下的力热响应尚未十分清楚，对电池及其组分材料的建模表征等研究也正在持续进行。隔膜作为锂离子电池中重要的组分材料，其失效会直接导致电池的正负极接触而引发内短路。所以深入研究电池隔膜的机械属性，有助于从碰撞安全性的角度来选择电池所用的隔膜。本文对四种电池隔膜进行了试验，并以聚乙烯隔膜为例，建立了有限元模型。
前段日子，三星Galaxy Note 7手机因电池起火事故成为人们关注的焦点，据MIT教授Don Sadoway分析，这些电池起火很可能缘自压制过紧的卷芯：一方面这种情况下隔膜更容易被正负极（如充电过程中负极表面析出的晶体等）刺破；另一方面隔膜上的孔隙被压实导致电池内阻增大温升加剧[1]。由此可见电池隔膜对锂离子电池的安全性起着重要的作用。除了手机等电子设备的应用，锂离子电池目前也广泛用作电动车辆的储能设备。
然而，人们目前对电动车用锂离子电池在碰撞工况下的力热响应尚未十分清楚，对电池及其组分材料的建模表征等研究也正在持续进行。隔膜作为锂离子电池中重要的组分材料，其失效会直接导致电池的正负极接触而引发内短路。所以深入研究电池隔膜的机械属性，有助于从碰撞安全性的角度来选择电池所用的隔膜。本文对四种电池隔膜进行了试验，并以聚乙烯隔膜为例，建立了有限元模型。
拉伸试验
参考标准ASTM D882设计条状拉伸试件，总长60 mm，标距段长35 mm，按宽度分为 5 mm、10 mm、15 mm、20 mm和25 mm五组。隔膜被夹在笛卡尔坐标纸间，用剃刀沿机器方向（MD）、横断方向（TD）和两个对角方向（+DD和-DD）共四个方向切成试件。试验在Instron 5944单向拉伸试验机上完成，拉伸速度为25 mm/min，用于测力的载荷传感器量程100 N，而应变由数字图像相关法（DIC）得到。
卷装隔膜的四个制件方向（MD、TD、+DD和-DD）
拉伸试验中四种隔膜的名义应力-应变曲线
两种干法隔膜各向异性明显，MD方向的强度显著高于另外两个方向，并且-DD和+DD方向强度相同。湿法陶瓷涂层隔膜四个方向上强度相当，但初始的弹性模量不同。无纺布隔膜强度很低，仅为高聚物隔膜的约五分之一，TD和MD下强度相近，但DD方向较弱。陶瓷涂层隔膜和无纺布隔膜在+DD和-DD方向下的应力应变关系也不相同。
拉伸试验中四种隔膜的失效应变对比
拉伸试验中四种隔膜的断裂模式对比
干法隔膜三个方向下失效模式不同，陶瓷涂层隔膜三向下模式相似，无纺布隔膜失效应变很小。
压缩试验
40层直径16 mm的圆形试件堆叠在一起，在200 kN MTS试验机上进行压缩试验。预载0.5 MPa消除试件的层间间隙，然后加载至100 MPa，再卸载至零应力。每种隔膜重复试验五次。
压缩试验中四种隔膜的名义应力-应变曲线和试验后的变形
干法隔膜具有很高的面内各项异性，并且应力应变曲线上有明显的屈服点。压缩后陶瓷涂层隔膜和无纺布隔膜试件均保持圆形，而干法隔膜试件变形为以MD为主轴方向的椭圆。
穿孔试验
穿孔试验使用的夹具内径32 mm，半球状加载头用聚四氟乙烯制成以减小摩擦，直径分别为3.175 mm、6.35 mm、12.6 mm和25.4 mm。试验在Instron Tabletop试验机上完成，加载速度为12 mm/min，直径为25.4 mm的加载头配合2 kN的载荷传感器进行试验，其余直径的加载头配合使用100 N的传感器。
穿孔试验的试验装置（聚四氟乙烯加载头，直径为6.35mm）
穿孔试验中四种隔膜在不同直径加载头下的载荷-位移曲线
加载头直径为6.35mm时隔膜失效情况
无纺布隔膜穿孔强度最低而陶瓷涂层穿孔强度最高。干法隔膜在大加载头下沿MD方向裂开，而陶瓷涂层隔膜和无纺布隔膜失效面积较小。
有限元建模（聚乙烯隔膜）
聚乙烯隔膜在三个加载方向上的力学性质各不相同，同时拉压属性也不一致，考虑到这些以及其多孔的微观结构，选用LS-DYNA中的MAT_126材料进行有限元建模。TD和MD方向的拉伸性质直接使用试验获得的应力-应变曲线，由于隔膜非常薄，其厚度方向的拉伸性质无法获得，假设与TD方向相同。试验只能获得厚度方向的压缩性质，故假设三个方向下压缩性质相似。主方向下的剪切应力应变关系可从DD方向的拉伸试验数据中推算（应力/应变张量旋转45°）得出，并假设三向相等。单向拉伸模型采用固体单元，网格大小为 0.25×0.25×0.025 mm。模型一端固定，另一端以恒定的速度运动。穿孔模型中的失效准则采用最大主应变准则，试验中TD方向下失效应变最小，约为0.57。穿孔试件中部网格尺寸为0.125×0.125×0.025 mm，边缘部分为0.25×0.25×0.025 mm。
单向拉伸和压缩下的仿真
穿孔仿真以及和试验的对比
MD和TD方向下试验与仿真的侧视图对比
结论
单向拉伸试验中，干法的两种隔膜各向异性更为明显，这也可以从压缩试验中看出（干法的两种隔膜试验后变为椭圆形，而陶瓷涂层隔膜和无纺布隔膜保持圆形）。湿法陶瓷涂层隔膜强度最高，而无纺布隔膜最低。不同隔膜的失效模式有明显不同，湿法陶瓷涂层隔膜和无纺布隔膜在穿孔试验中破口面积小而圆，而干法隔膜则分别破开了一条大裂缝。LS-DYNA中的改良各向异性蜂窝模型可以很好地预测聚乙烯隔膜在各种试验下的载荷位移关系，并逼真地复现了穿孔试验中的各向异性变形和DD方向拉伸试验中的剪切变形。
本文主要内容缩译自本课题组毕业生张晓伟近期发表的论文[2]，感兴趣的读者可阅读参考文献以获取更为详尽的内容。张晓伟是 MIT 机械工程系的博士研究生，从事车用动力电池在机械载荷作用下的短路机理和建模研究。