Trojan电瓶高速冲击载荷下圆柱形锂离子电池失效行为的实验研究

锂离子电池在民用和军事领域得到广泛应用。然而，其在极端条件（如高速冲击）下的安全性仍有待深入研究。圆柱形电池作为众多电子设备和储能系统的基本单元，其力学响应特性尤为重要。本研究针对两种典型圆柱形锂离子电池（即18650和21700型号），通过高速弹体冲击实验模拟极端碰撞工况。我们通过实验研究了这些电池在全荷电状态（SOC）范围内的失效行为，即在0%至100% SOC范围内以10%为间隔进行测试。结果表明，较高的SOC会导致更严重的失效模式，并显著增加电池穿刺后发生热失控（TR）的风险。不同电池类型表现出几乎相同的热失控容量阈值。本研究引入BiHill函数模型来模拟高SOC电池热失控过程中的温度演变。通过补充实验研究了穿刺速度对热失控阈值的影响，研究结果有望为极端环境下锂离子电池（LIB）的安全防护提供理论基础。

引言

由于具有高能量密度、长循环寿命和低自放电率等优势，锂离子电池（LIBs）被广泛应用于电动汽车、储能系统及军事装备等诸多领域[1,2]。在军事领域，锂离子电池作为核心能源，为无人机、电动装甲车辆及便携式通信设备提供动力支持。然而随着其广泛应用，锂离子电池热失控（TR）问题日益受到关注[3,4]。锂离子电池热失控主要源于电气滥用（如短路、过充、过放)、热滥用(如高低温环境)以及机械滥用(如挤压、针刺)等诱因可导致电池失效[5]。以过充电为例，该工况会引发内压升高与热量积聚[[6], [7], [8], [9]]；高温环境则可能导致电解液、电极材料等内部组分分解，并释放可燃性气体[[10], [11], [12]]。
锂离子电池在极端条件下（如物理冲击或机械损伤）可能存在风险。因此，研究锂离子电池在恶劣环境下的安全性能至关重要，例如军事应用中遇到的高速冲击或穿透条件。先前的研究已探究了锂离子电池的机械滥用问题，重点关注热失控机制和损伤行为。大多数研究集中于准静态或低速场景（例如压痕和针刺）以模拟低机械应力。这些研究考察了电池参数（如荷电状态（SOC）、尺寸、类型）、冲击类型及冲击速度的影响。在机械荷载作用下，锂离子电池的隔膜与电极材料可能发生变形或破裂，从而导致电气故障。此类故障可能触发连锁反应，例如固体电解质界面（SEI）分解及负极材料与电解质间的反应，最终引发急剧温升和热失控（TR）。
机械滥用会加剧内部损伤和内部短路（ISC）风险，降低热失控（TR）触发温度，并增强火焰传播与热喷射强度[13,14]。即使轻微机械变形也可能引发锂离子电池（LIBs）的微裂纹、锂损失和加速老化，显著降低其热稳定性，甚至导致自发失效[15]。Gao等[16]研究了机械应力诱导的微短路（MSCs）现象，并提出一种基于MSC的故障诊断方法。通过动态测试，Huang等[17]的研究证实，锥形冲头会引发最严重的短路风险，且由于惯性作用，电气失效通常先于结构损伤发生。徐等人[18,19]发现，在动态和准静态条件下，更高荷电状态（SOC）会导致更大的短路电流、更快的温升以及更严重的热失控（TR）现象。黄等人[20]研究表明，在低速冲击下，18650型电池表现出更快的电压读档、更高的温升及内阻下降，且这些效应在中高SOC区间最为显著。毛等人[21]比较了不同正极材料（LCO、NMC622、LFP）的软包电池在过热和针刺条件下的表现，为机械滥用下的失效模式提供了见解。Dasari等[22]研究表明，火灾受损锂离子电池比正常老化电池表现出更剧烈的腐蚀和更严重的结构破坏，并提出了一种电化学指纹识别方法，可区分常规老化与灾难性失效，从而改进诊断。这些研究深化了对机械滥用条件下锂离子电池失效机理的认识。
现有研究主要集中于低应变率冲击，需进一步关注高速无人机作业中弹丸撞击或碎片碰撞等高速场景（典型速度为50-1000 m/s）[23]。Kang等[24]基于有限元-光滑粒子流体动力学（FE-SPH）建立了考虑等效均匀电极的数值模型，研究了锂离子电池在高速冲击下的动态失效行为。Yu等[25]采用砍刀锤测试系统探究了极端冲击条件下锂离子电池的失效机制。他们提出了两阶段失效机制和机械冲击动力学（MID）模型，同时强调了隔膜厚度与弹性模量在抗冲击性能中的作用。Babu等[26,27]对软包电池进行了弹道冲击测试，采用等效厚壳复合材料（TSC）方法建立有限元模型以评估相关机械损伤。Rabbitt等[28]对集成于防弹背心的圆柱形锂离子电池进行了射击测试。Fras等[29]分析了小口径弹丸对软包电池的冲击作用，揭示了层间剥离与扩展包现象，并通过改进的有限元模型验证了研究结果。Liu等[30]探究了不同荷电状态（SOC）下高镍锂离子电池在射击工况下的TR阈值与损伤特征。这些研究通过高速冲击试验与实验-数值联合方法，推动了锂离子电池在高风险应用环境中的安全评估。
现有弹道测试研究主要集中于软包锂离子电池（LIB），亟需对不同电池设计的结构失效与温度信息开展更深入探究。本研究针对18650和21700两种圆柱形LIB设计，在全荷电状态（SOC）范围（即0-100%，10%间隔）下，系统考察了结构损伤演变、热失控（TR）触发机制及其相互作用效应。实验采用约780米/秒的高速冲击条件，该速度与标准步枪弹丸初速相当。本研究通过分析不同SOC状态下电池的形貌演变、电响应及表面温度变化，深化了对不同圆柱电池构型安全机制的理解。