Effects of impact mass on dynamic mechanical responses and failure modes of square lithium-ion batteries under impact loading
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摘要: 电动汽车在运行过程中容易发生碰撞事故，动力锂离子电池不可避免会受到冲击作用，导致电池不同程度的损伤，而损伤程度的判断对电池的安全使用至关重要。基于上述背景，开展了不同冲击质量对方形锂离子电池动态冲击响应和失效行为影响的研究。首先，开展了准静态压缩试验，采用6种不同的进给速度对锂离子电池进行了挤压测试。试验结果显示，随着进给速度的递增，锂离子电池达到硬短路失效所需的峰值载荷持续减小。这表明，准静态条件下，锂离子电池的短路失效载荷主要由挤压速度决定。然后，开展了落锤冲击试验，通过调控冲头的质量和冲击速度，系统模拟了锂离子电池可能遭遇的多种冲击工况。研究结果表明，冲击质量和冲击速度是决定锂离子电池动态失效行为的关键因素。在冲击能量恒定的条件下，相较于高速、小质量的冲击条件，低速、大质量的冲头冲击对电芯内部造成的损伤更明显；当冲头质量不变时，提高冲击速度则会提前触发锂离子电池的内短路。Abstract: Electric vehicles are prone to collision accidents during operation, and power lithium-ion batteries are inevitably subjected to impact, which leads to varying degrees of damage to the battery, and assessing the extent of this damage is crucial for the safe use of the battery. Based on the above background, the study was conducted on the influence of different impact masses on the dynamic impact response and failure behavior of square lithium-ion batteries. Firstly, in the quasi-static compression test, six different feed rates were used to test the extrusion of lithium-ion batteries. The test results show that the peak load required for lithium-ion batteries to reach hard short-circuit failure continues to decrease with the increment of feed rate. This indicates that the short-circuit failure load of lithium-ion batteries under quasi-static conditions is mainly determined by the feed rate. Then the hammer impact test, through the regulation of the quality of the punch and impact speed, the system simulates the lithium-ion battery may encounter a variety of impact conditions. Impact quality is an important factor in determining the degree of damage to lithium-ion batteries. Under the same impact energy, the damage of low-speed large mass impact on lithium-ion battery is significantly higher than that of high-speed low mass impact. At a constant impact energy, mass is the dominant factor in determining the degree of battery damage. If the impact mass is heavier, it will produce a larger impact load, which will cause more serious damage to the internal structure of the lithium-ion battery, leading to its functional damage or even failure. Conversely, if the impact mass is lighter, the impact force generated is relatively small, and the damage to the battery structure is correspondingly reduced. Therefore, the size of the impact mass directly affects the degree of damage to the lithium-ion battery, which is a key indicator for evaluating its safety performance and durability. The impact speed has a significant impact on the voltage drop of lithium-ion batteries after damage. Especially accelerating the occurrence of hard short circuits, further exacerbating the sharp drop in voltage. This characteristic makes the impact velocity as an important consideration for evaluating the voltage stability and overall safety performance of lithium-ion batteries after damage.
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Key words:
- square lithium-ion battery /
- impact mass /
- impact velocity /
- impact energy /
- dynamic failure
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电动汽车碰撞事故随着电动汽车市场的快速发展而增多，这迫切要求提升电动汽车的耐撞性，以确保乘客安全。在电动汽车碰撞过程中，作为危险源的电池往往承受冲击，发生形变。因此，深入探究锂离子电池在冲击载荷下的动态响应对于确保电动汽车的安全性至关重要。近年来，锂离子电池在动态冲击下的力学行为受到了高度关注。
在动态载荷下的动力电池安全研究领域，Liu等[1]全面解析了机械滥用负载下锂离子电池的机械-电化学-热耦合机制，为深入理解电池失效过程提供了宝贵视角。Xia等[2]聚焦于锂离子电池组在底面冲击下的局部变形和单体短路行为，揭示了冲击对电池组整体安全性的具体影响。Xu等[3-4]基于圆柱形锂离子电池的独特结构和材料特性，深入探讨了应变率和惯性效应对锂离子电池动态力学失效行为的影响，并构建了高精度的数值模型，为预测电池动态力学失效行为提供了有力工具。Jia等[5]研究了动态载荷下软包锂离子电池的力响应与电性能之间的耦合行为及失效模式。Kisters等[6-7]开展了一系列动态局部压痕试验，系统研究了软包和椭圆锂离子电池在不同冲击速度下的变形和短路行为，强调了应变率对电池机械响应的显著影响。Ratner等[8]通过研究揭示了软包锂离子电池在冲击试验中刚度提高与应变率敏感性之间的关系，深化了对电芯内部多孔结构与液体电解质相互作用机制的理解。Chen等[9-10]和Kotter等[11]分别对方形锂离子电池开展了动态冲击试验，前者侧重于研究不同压头下应变率对电池力学性能的影响，后者则关注电池的硬化、压缩性及破坏失效机制。Hu等[12]研究发现，电池组在动态冲击条件下的变形失效行为与应力波传播相关联，冲击速度主要影响电池的失效位移。
针对锂离子电池损伤后电芯内部裂纹的研究，学者们也取得了显著进展。Sahraei等[13]利用XCT (X-ray computed tomography)扫描技术，精确检测了机械滥用导致的电芯短路裂纹，并开发了新模型以提高裂纹预测的准确性。Wang等[14]通过不同直径球体双面挤压方形锂离子电池试验，发现电芯的变形表现为集流体撕裂、电极层断裂和滑动、隔膜的破裂，形成跨越多层的剪切断层带，剪切滑移带导致内短路的发生。Chung等[15]研究了不同加载条件下大型锂离子软包电池的裂纹扩展行为，提出将莫尔-库仑断裂准则用于分析裂纹形成和短路失效。Zhu等[16]对锂离子软包电池在不同挤压模式下的失效机理进行了XCT分析，发现挤压过程中产生的剪切力诱发电极和集流体破坏及隔膜失效是导致电池产生内短路失效的主要原因。Zhu等[17]用3种不同的压头对方形锂离子电池及电池的电芯进行了准静态加载，发现在所有情况下，第1个电芯裂纹的形成引发的短路会导致整个电池组的故障，并建立了数值模型模拟短路失效行为。Li等[18]通过试验并用XCT观察到了弯曲电池底部的电极层中存在广泛的裂纹。Xing等[19]研究了准静态和动态机械压痕作用下方形锂离子电池的失效行为，通过XCT分析发现层间斜向裂纹是诱发短路的主要原因。Wang等[20]发现，在动态工况下，18650电池电芯层间受到剪切破坏，其XCT图片呈现出倾斜的断裂裂纹，并依此建立了一个各向异性均质模型，较好地模拟了裂纹轮廓。Kisters等[21]通过对软包锂离子电池进行动态冲击测试和受载后的XCT观察，研究了侵入过程中电芯的外部响应和内部断裂面，提出了锂离子电池的失效模式和断裂延展的应变率依赖性。Liu等[22]通过对软包电池进行4种加载速率的试验，发现老化造成的高容量衰减对产生热失控有较大影响。Li等[23]通过XCT扫描，观察软包锂离子电池的圆柱形压痕，发现了贯穿锂离子电池厚度的裂纹。Chen等[24]研究了方形锂离子电池在反复动态冲击下的短路失效行为，发现冲击速度和能量的提高显著降低了短路冲击次数。Zhang等[25]建立了18650圆柱锂离子电池的数值模型，研究了冲击速度下锂离子电池的动态响应，得到了一个与冲击速度相关的失效准则。Kalnaus等[26]开展了动态冲击软包锂离子电池模组的试验，研究发现，相对较低的冲击速度也会在锂离子电池的分层结构中产生断层线，导致锂离子电池内短路。以上研究为制定更严格的安全标准提供了一定的试验依据。
目前，现有研究多侧重于不同冲击速度导致锂离子电池短路失效的单一维度的分析。鉴于此，本文中在探讨冲击速度影响的同时，将不同冲击质量作为另一关键变量纳入试验设计。通过开展准静态压缩试验和动态冲击试验，研究导致锂离子电池短路失效的两大关键因素，即冲击速度和冲击质量，深入剖析冲击速度和冲击质量共同作用于锂离子电池导致其失效的内在机制。
1. 试 验
1.1 试件
选用的方形锂离子电池如图1所示，其尺寸为148 mm×98 mm×27 mm，质量为0.82 kg，电池壳体由3003铝材经深拉工艺制成，内装双层卷绕电芯。该电池以镍钴锰NCM622（LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2）为正极材料、石墨为负极材料，六氟磷酸锂（LiPF6）为电解液材料，额定容量为50 A∙h，额定电压为3.65 V，充电截止电压为4.20 V，放电截止电压为2.80 V。大部分用于试验的锂离子电池均预先调整至0 SOC (state of charge)，经过一次完整的充放电循环后静置24 h，以确保电池内部荷电状态稳定，且初始电压维持在3.05 V±0.05 V。
1.2 准静态压缩试验
开展准静态压缩试验旨在评估方形锂离子电池在受到外部压力时的抗挤压能力，以确保锂离子电池在正常使用和潜在事故情况下，能够保持结构完整和电气安全。根据国家标准GB 38031—2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》中的挤压试验要求，利用Instron2386万能试验机（图2），采用尺寸为
∅ 150 mm×140 mm的半圆柱形冲头，对148 mm×98 mm的锂离子电池平面进行了6种不同进给速度（1、10、30、50、80和100 mm/min）的匀速挤压，万能试验机记录位移和载荷数据，直至电池发生短路失效，以观察不同进给速度下导致电池短路失效的影响因素。为确保试验结果的精确性和稳定性，将冲头通过6个螺杆牢固地连接在移动柱上。同时，采用Agilent安捷伦34420A纳伏表以48 ms采样间隔记录电池电压的动态变化。万能试验机和纳伏表同时开始试验，确保位移、载荷与电压数据之间的同步。为确保结果的可靠性，每组试验均进行了3次重复试验。1.3 动态冲击试验
落锤冲击试验则是利用1808型大落锤冲击试验机（图3(a)）模拟方形锂离子电池的侧碰工况。利用电荷放大器和DPO2014B示波器（图3(b)），实现载荷数据和电压数据的同步采集。将方形锂离子电池固定在尺寸为300 mm×250 mm×40 mm的垫板上，并通过压板在两侧紧固（图3(c)），以防止电池在冲击过程中反向弹起。将电池的正负极通过镍片导线连接到示波器上，以便实时、精确地测量电压变化。通过释放带有负载传感器的滑块冲头，实现自由落体运动，从而将势能转化为动能，冲击锂离子电池。使用高速摄像机捕捉冲击瞬间的动态影像，为后续深入分析提供直观资料。试验中，采用了3种不同质量的落锤滑块和锤头组合（总质量分别为28.50、50.20和71.80 kg），并以冲击速度（1.0～6.0 m/s）模拟不同冲击质量对锂离子电池冲击后短路失效的影响。依据
E=mv2/2 可精确计算冲击试验中锂离子电池承受的冲击能量，式中E为冲击能量，m为冲击质量，v为冲击速度。每组试验均重复3次，以确保结果的可靠性，详见表1。采用德国沃斯Werth Messtechnik TomoScope L工业CT作为XCT检测设备。所用锂离子电池的荷电状态主要以0 SOC为主，进行不同荷电状态下的冲击试验时，电池荷电状态处于0～0.5 SOC区间。表 1 由冲击速度和落锤质量不同组合确定的冲击能量Table 1. Impact energies determined by different combinations of impact velocity and hammer mass冲击速度/(m∙s−1) 下落高度/mm 冲击能量/J 28.50 kg 50.20 kg 71.80 kg 1.0 51 14.25 25.10 35.90 2.0 204 57.00 100.40 143.60 3.0 459 128.25 225.90 323.10 4.0 817 228.00 401.60 574.40 5.0 1276 356.25 627.50 897.50 6.0 1838 513.00 903.60 1292.40 2. 试验结果
2.1 准静态压缩试验
不同进给速度对锂离子电池短路失效的影响如图4所示。从图4(a)可以观察到，在1 mm/min的进给速度下，载荷从0 kN上升至峰值257.00 kN，然后下降至136.00 kN，再次上升至178.00 kN，然后再下降至98.00 kN。随着载荷的增大，锂离子电池受冲头挤压逐渐增大的变形损伤的位移量，称为压缩位移。电压在A点处开始下降，电压微降，A点为软短路点，图4(a)～(b)和(d)～(f)中A点对应的压缩位移为7.00 mm。电压在B点处开始骤降，B点为硬短路点，图4(a)～(d)和(f)中B点对应的压缩位移为8.10～8.75 mm，挤压速度的提高导致硬短路位移点增大。
图 4 不同进给速度对锂离子电池短路失效的影响Figure 4. Influences of different feeding velocities on short-circuit failure of lithium-ion batteries随着挤压速度的提高，挤压过程中的载荷峰值呈现下降趋势。具体而言，峰值载荷从257.00 kN降至172.00 kN。此外，载荷-位移曲线的变化揭示了力学行为特征的显著变化。在1 mm/min的低速挤压条件下，第1个峰值载荷257.00 kN显著高于随后的第2个峰值载荷178.00 kN，这表明电池在不同阶段展现出不同的力学响应。然而，当挤压速度升至100 mm/min时（图4(f)），压缩时间缩短导致内部电芯断裂与外部壳体破裂的时间间隔缩短，电芯与外壳的受力过程趋于同步。在这一挤压速度下，第1个峰值载荷降至172.00 kN，而第2个峰值载荷为170.00 kN，两者之间的差异减小。这一现象表明，挤压速度是影响锂离子电池受力状态及破裂行为的关键因素，且随着挤压速度的提高，电池内部与外部的损伤模式趋于一致。
试验后拆解锂离子电池发现，电芯已经完全断裂成两部分，且断裂间距较大，这与试验曲线中的第1个峰值载荷对应于内部电芯断裂、第2个峰值载荷（C点）对应于壳体结构失效相吻合。这进一步验证了锂离子电池在机械挤压作用下，其失效过程呈现受压逐渐形变，峰值载荷达到一定值后，电芯整体断裂，发生硬短路，电压急剧下降，电池失效。电压稳定性是评估电池安全性能的一个关键参数。锂离子电池壳体的变形使壳体内电芯的压力急剧上升，造成电芯断裂引发短路，进而导致电池失效及热失控、燃烧爆炸等安全事故。因此，壳体与电芯在机械载荷下的完整性对于保障电池整体安全性至关重要。
硬短路B点为短路失效的关键参数点，对硬短路B点对应的载荷所做功的变化进行分析。对于变力做功的情况，将力视为位移的函数，功可以通过对力在位移区间[0, s]上的积分来计算，即：
W=∫s0F(s)ds (1) 式中：W为变力做的功，F为载荷，s为位移。
根据图4，提取了硬短路点处的载荷F和位移s，并利用式(1)计算失效点对应的能量，见表2。硬短路点载荷随进给速度的升高呈下降趋势。通过绘制不同进给速度下的能量点并拟合，得到了一条拟合度R2为0.968的曲线（见图5）。该曲线显示，能量随进给速度的提高呈上升趋势。
表 2 硬短路失效点的能量Table 2. Energies at hard short circuit failure points进给速度/(mm∙min−1) 位移/mm 载荷/kN 失效点能量/J 1 8.06 256.24 691.61 10 8.40 252.49 794.16 30 8.40 241.06 842.76 50 8.76 169.57 912.06 80 10.08 174.55 1036.69 100 8.40 113.61 692.85 
图 5 硬短路失效点能量-进给速度拟合曲线Figure 5. Fitted energy-feeding velocity curve of hard short circuit failure points图6展示了图4中载荷曲线上2个载荷峰值之比，即第2个波形峰值与第1个波形峰值的比，从图4(a)的0.696增大至图4(f)的0.989，并对6种不同进给速度下两者的比进行了拟合，得到了一条拟合度R2为0.931的曲线。结果表明，随着进给速度的提升，2个波形的峰值逐渐接近。这一现象归因于波形1的峰值是在电池外壳和电芯共同承受挤压载荷时形成的，电芯为主要承载结构。达到峰值载荷后，外壳显著弯曲变形，此时壳体的两侧壁对电池上表面产生拉紧效应，引发内部电芯断裂，从而导致峰值载荷和电压均下降。随着半圆柱冲头的继续下压，已断裂的电池电芯对两侧壁产生的挤压力载荷开始上升。当冲头下压载荷超出两侧壁的承受极限时，达到第2个波形峰值，在冲头下压和电芯向外挤压的双重作用下，电池壳最终无法承受这种压力，导致外壳失效并出现破裂，如图4(f)中的实物照片所示。值得注意的是，随着进给速度的提高和受力时间的缩短，原本因电池壳和电芯材料差异而产生的2个波形峰值，在时间显著缩短的情况下，会逐渐融合为一个波峰。这意味着电池壳和电芯将实现同步形变。
图 6 图4中第2个波峰载荷与第1个波峰载荷之比随进给速度的变化Figure 6. Ratio of the force at the second wave crest to the one at the first wave crest in Fig.4 varied with feeding velocity2.2 动态冲击试验
2.2.1 0 SOC荷电状态下的方形锂离子电池冲击试验
冲头质量从28.50 kg增至71.80 kg时，锂离子电池在冲击载荷下的响应如图7所示。以冲头质量为28.50 kg为例，当冲击速度从1.0 m/s升至6.0 m/s时，冲击载荷从8.00 kN增至32.00 kN，而锂离子电池仅发生软短路。当冲头质量为71.80 kg时，在相同的冲击速度范围内，冲击载荷从25.00 kN增至138.00 kN。在1.0～3.0 m/s的冲击速度下，锂离子电池电压下降0.10 V，发生软短路；在4.0～6.0 m/s的冲击速度下，锂离子电池均发生硬短路。在4.0 m/s的冲击速度下，电压由3.05 V下降至2.66 V，又回升至2.81 V；在5.0 m/s的冲击速度下，电压由3.05 V最终下降至0.92 V；在6.0 m/s的冲击速度下，电压由3.05 V最终下降至0.08 V。
图 7 不同冲击速度和冲头质量的冲击试验中锂离子电池所受到的冲击力及其电压随时间的变化Figure 7. Variation of impact force loaded on a lithium-ion battery and its voltage with time in drop-weight impact tests with different impact velocities and punch head masses结果显示，随着冲头质量的增大和冲击速度的提高，其对冲击载荷的影响显著增强。具体而言，当冲击速度从1.0 m/s逐渐升至6.0 m/s时，冲击载荷随之增大，直接影响了锂离子电池的电压响应，其中在1.0～3.0 m/s的冲击速度范围内，电池未发生硬短路。然而，当冲击速度升至4.0 m/s时，特别是使用质量为50.20和71.80 kg的冲头进行冲击试验时，观察到电池发生了硬短路现象。这表明，锂离子电池的机械强度和电压与应变率具有较高的相关性，且冲头质量的变化对电池损伤程度有直接影响。这一点在评估锂离子电池机械冲击失效性能时至关重要。
图8～10展示了在不同质量的冲头以6.0 m/s的速度冲击下锂离子电池外部和内部的形变特性。
图 8 在质量为28.50 kg的冲头以6.0 m/s的速度冲击下锂离子电池的结构及其受到的冲击力和电压随位移的变化Figure 8. Battery structures as well as variations of impact forces loaded on batteries and their voltages with displacement under impact of a 28.50-kg punch head at the impact velocity of 6.0 m/s
图 9 在质量为50.20 kg的冲头以6.0 m/s的速度冲击下锂离子电池的结构及其受到的冲击力和电压随位移的变化Figure 9. Battery structures as well as variations of impact forces loaded on batteries and their voltages with displacement under impact of a 50.20-kg punch head at the impact velocity of 6.0 m/s
图 10 在质量为71.80 kg的冲头以6.0 m/s的速度冲击下锂离子电池的结构及其受到的冲击力和电压随位移的变化Figure 10. Battery structures as well as variations of impact forces loaded on batteries and their voltages with displacement under impact of a 71.80-kg punch head at the impact velocity of 6.0 m/s在28.50 kg-6.0 m/s冲头的冲击下，锂离子电池承受的冲击能量为513.00 J，该电池仅发生一些轻微变形，电池壳体完整，如图8(a)所示；电压从3.05 V微降后再回升至3.00 V，发生了软短路现象，如图8(b)所示；上层电芯在冲压作用下形成圆弧状，如图8(c)所示，并伴随着明显的致密化过程，这一变化进而导致了电极和隔膜的相应形变。在电芯的右上角观察到若干层间存在微小间隙，此现象可能源于正极活性材料在集流体上的局部脱离及积聚。
在50.20 kg-6.0 m/s冲头的冲击下，锂离子电池承受的冲击能量为903.60 J，该电池发生较大程度的变形且两侧鼓起，外壳保持完整，如图9(a)所示；图9(b)～(c)显示电芯明显发生了二次断裂，电芯上层的断裂导致第1段电压降至2.00 V，经过一个小的平台，电芯的下层也发生了断裂，导致电压下降至0.50 V，电芯的断裂层数和电压下降幅值一一对应。尽管外壳未破裂，但剪切力已贯穿整个电芯，将其完全切断，切断部分的间距在4～8 mm之间。
在71.80 kg-6.0 m/s冲头的冲击下，锂离子电池承受的冲击能量为
1292.40 J，该电池外壳的左、右侧板已破裂，电芯被挤出，如图10(a)所示；图10(b)显示电压从3.05 V骤降至0.10 V，表明电池发生了硬短路；图10(c)显示，已无法清晰区分上、下两层电芯的界限，电芯在垂直方向上发生了明显的断裂，并呈现斜切断裂模式，电芯右侧还残留有断续的连接材料，断裂宽度约为20～25 mm，较大的层间断裂加剧了电压下降的速度和幅度。冲头质量和冲击速度是评估锂离子电池机械冲击损伤的2个关键因素，它们共同决定了冲击能量的大小，直接影响锂离子电池的损伤程度。
2.2.2 0～0.5 SOC荷电状态下的方形锂离子电池冲击试验
对0～0.5 SOC的锂离子电池，采用质量为50.20 kg的冲头，在5.0 m/s的冲击速度下进行落锤冲击试验，并对试验后的电池进行失效分析，结果如图11～12所示。
图 11 不同SOC的锂离子电池在质量为50.20 kg的冲头以5.0 m/s的速度冲击下所受到冲击力及其电压随时间的变化Figure 11. Impact force- and voltage-time curves of lithium-ion batteries with different SOCs impacted by a 50.20-kg punch at 5.0 m/s
图 12 在50.20 kg-5.0 m/s冲头的冲击下0.5 SOC锂离子电池结构的变形及其载荷和电压随位移的变化Figure 12. Structure deformation of the lithium-ion battery with 0.5 SOC impacted by a 50.20-kg and 5.0-m/s punch as well as changes of load and voltage with displacement由图11(a)可知，在质量为50.20 kg的冲头以5.0 m/s的速度冲击下，冲击载荷从94.70 kN增大至98.00 kN，不同SOC的锂离子电池所受到的冲击载荷并未表现出明显差异。但电压曲线有显著差异，如图11(b)所示，所有试验锂离子电池均发生了硬短路，其中0～0.3 SOC的锂离子电池在电压下降后直接降至低电压。相比之下，0.4～0.5 SOC的锂离子电池在电压下降后出现了回升现象。0.4 SOC的锂离子电池电压从3.62 V下降至2.14 V后回升至2.98 V；0.5 SOC的锂离子电池电压从3.63 V下降至1.85 V后回升至2.14 V。较高SOC的锂离子电池能承载的冲击载荷有所增加，并影响到了电压的回升。
在50.20 kg-5.0 m/s冲头的冲击下，0.5 SOC的锂离子电池承受的冲击能量为627.50 J，从图12(a)可以看出，电池表面有明显的烧焦痕迹，说明在该冲击条件下电池发生了热失控。从图12(b)可以看出，冲击载荷曲线呈现2个波峰，第1个波峰为73.00 kN，第2个波峰为97.00 kN；电压从3.63 V缓慢降至2.60 V，电池发生了硬短路。从图12(c)可以看出，在50.20 kg-5.0 m/s冲头的冲击下，电池上层电芯层间结构遭到了破坏，部分电极隔膜断裂，形成了明显的裂纹。这导致电压下降，引发硬短路。下层电芯层间出现了显著的褶皱形态，可能是在热失控引发的高温环境下电芯材料经历热膨胀与收缩循环所致。试验中，锂离子电池由内向外喷射火星，并释放大量白烟，随后发生剧烈燃烧现象。这主要是由于高SOC状态下的锂离子电池具有较高的锂离子荷电量，为热失控提供了充足的能量，并且电解液的易燃性进一步加剧了热失控的不可控性。试验中发现，当SOC超过0.2时，以50.20 kg-5.0 m/s的冲头冲击锂离子电池就会引发热失控现象。对于方形锂离子电池而言，硬短路发生时SOC的高低是触发热失控的决定性因素。
3. 讨 论
3.1 准静态压缩试验
如图4所示，低速挤压时，锂离子电池有时间逐渐响应外部载荷，导致能量吸收和分布较均匀，从而在载荷-位移曲线上形成2个明显的峰值，分别对应不同的力学响应阶段。而在较高速度挤压时，由于挤压时间缩短，锂离子电池没有足够的时间逐步响应外部载荷，导致能量在瞬间集中，使得2个峰值载荷趋于接近。挤压速度对造成短路失效的峰值载荷大小有显著影响。硬短路对应的位移点是判断锂离子电池失效的一个重要标准，在准静态压缩条件下，方形锂离子电池的硬短路失效位移界限为8.06 mm，如表2所示。
3.2 动态冲击试验
深入分析图7～12发现，当质量为50.20 kg的冲头以5.0 m/s的速度冲击锂离子电池时，产生的冲击能量627.50 J会导致该锂离子电池恰好发生硬短路，进而使锂离子电池进入危险的临界失效状态。基于上述试验结果，将锂离子电池在不同冲击能量作用下的失效划分为以下3种模式。
(1)轻微损伤模式。如图8(b)所示，513.00 J的冲击能量低于电池失效的临界冲击能量627.50 J。电压短暂下降0.10 V后迅速恢复，锂离子电池发生软短路。电池外壳轻微变形，电芯的隔膜保持完整，电极间隙微增，电池性能未受影响，可继续正常工作。
(2)硬短路失效模式。如图12(b)所示，当受到的冲击能量达到627.50 J时，锂离子电池发生硬短路，电压从3.63 V降至2.60 V。电芯上层隔膜和电极均产生裂纹，引发内部短路。而电池壳体微小破损导致内部积聚的热量难以迅速散发，这进一步增加了热失控的风险。
(3)完全破坏模式。如图10(b)所示，冲击能量达到临界阈值的2倍，即
1292.40 J。冲击导致电池电压瞬间降至零。电池外壳破裂，电解液泄露，电芯断裂成两部分，电池完全失效，造成极大危险。为了深入探究并明确冲击能量、速度和质量在锂离子电池失效模式中的相对重要性，特别设计并实施了一项关键的验证性试验。此试验的核心目标在于，当冲击能量被严格控制在恒定水平时，精准辨识冲击质量与冲击速度这两者之间，谁才是决定锂离子电池损伤程度的主导因素。在构成相同冲击能量的条件下，冲击质量和冲击速度的组合是多样的，见表3。试验用的锂离子电池荷电状态为0 SOC。
表 3 恒定冲击能量下的不同冲击速度、落锤初始高度和冲击质量Table 3. Different impact velocities, initial drop height and impact masses at constant impact energy冲击能量/J 冲击速度/(m∙s−1) 落锤初始高度/mm 冲击质量/kg 627.75 3.0 459 139.50 627.60 4.0 817 78.45 627.50 5.0 1276 50.20 627.66 6.0 1838 34.87 627.62 6.5 2179 29.71 恒定冲击能量下，不同质量的冲头以不同速度冲击锂离子电池的试验结果如图13所示。
图 13 在不同质量、不同速度的冲头以恒定能量冲击下锂离子电池所受的冲击力及其电压随时间和位移的变化Figure 13. Impact force and voltage of lithium-ion batteries subjected to constant impact energy from punches with different masses and different velocities从图13(a)可以看出，冲击质量的减少导致冲击载荷也相应降低，落锤质量从139.50 kg减少至29.71 kg时，冲击载荷由164.43 kN降低至25.40 kN。同时，冲击速度的提高会导致硬短路的发生提前，并伴随着冲击时间的缩短，从而加速了电压降的显现过程。
在相同的临界冲击能量下，锂离子电池无一例外地发生了硬短路现象，电芯均产生了断裂裂纹，如图14～18所示，冲击试验的峰值载荷和硬短路失效时间点见表4。
图 14 在质量为139.50 kg的冲头以3.0 m/s的速度冲击下锂离子电池受到冲击力及其电压随时间的变化以及电芯中部和底部的XCT图像Figure 14. Impact force- and voltage-time curves of the lithium-ion battery impacted by the 139.50-kg punch with the velocity of 3.0 m/s as well as XCT images for the battery cell middle and bottom
图 15 在质量为78.45 kg的冲头以4.0 m/s的速度冲击下锂离子电池受到冲击力及其电压随时间的变化以及电芯中部和底部的XCT图像Figure 15. Impact force- and voltage-time curves of the lithium-ion battery impacted by the 78.45-kg punch with the velocity of 4.0 m/s as well as XCT images for the battery cell middle and bottom
图 16 在质量为50.20 kg的冲头以5.0 m/s的速度冲击下锂离子电池受到的冲击力及其电压随时间的变化以及电芯中部和底部的XCT图像Figure 16. Impact force- and voltage-time curves of the lithium-ion battery impacted by the 50.20-kg punch with the velocity of 5.0 m/s as well as XCT images for the battery cell middle and bottom
图 17 在质量为34.87 kg的冲头以6.0 m/s的速度冲击下锂离子电池受到冲击载荷及其电压随时间的变化以及电芯中部和底部的XCT图像Figure 17. Impact force- and voltage-time curves of the lithium-ion battery impacted by the 34.87-kg punch with the velocity of 6.0 m/s as well as XCT images for the battery cell middle and bottom
图 18 在质量为29.71 kg的冲头以6.5 m/s的速度冲击下锂离子电池受到冲击载荷及其电压随时间的变化以及电芯中部和底部的XCT图像Figure 18. Impact force- and voltage-time curves of the lithium-ion battery impacted by the 29.71-kg punch with the velocity of 6.5 m/s as well as XCT images for the battery cell middle and bottom表 4 恒定冲击能量下冲击试验的峰值载荷和硬短路失效时间点Table 4. Peak loads and hard short-circuit failure time points for impact tests at constant impact energy冲击速度/(m∙s−1) 冲击质量/kg 峰值载荷/kN 硬短路失效时间/ms 3.0 139.50 164.43 3.79 4.0 78.45 127.60 2.36 5.0 50.20 99.46 1.87 6.0 34.87 37.60 1.39 6.5 29.71 25.40 1.27 从图14(a)可以看出，在质量为139.50 kg的冲头以3.0 m/s的速度冲击下，锂离子电池受到的冲击载荷达到164.43 kN，电压由3.19 V先缓慢下降到3.08 V，再降至2.75 V，再骤降至0.25 V，产生硬短路。从图14(b)～(c)可以看出，在此冲击条件下电池电芯结构遭到破坏，导致电芯的中部和底部都出现了一条贯穿性的裂纹，断裂角度分别为65.75°和46.04°，电芯底部正负极层间出现了相互错位，这导致电芯产生内短路。
从图15(a)可以看出，在质量为78.45 kg的冲头以4.0 m/s的速度冲击下，锂离子电池受到的冲击载荷达到127.60 kN，电压由3.19 V先缓慢下降到3.08 V，再降至2.00 V，再骤降至0.40 V，产生硬短路。从图15(b)可以看出，电芯的中部出现了2层的断裂。从图15(c)可以看出，电芯底部中间位置形成了一个交叉断裂，更是出现了3层断裂，其断裂角度为48.80°。
从图16(a)可以看出，在质量为50.20 kg的冲头以5.0 m/s的速度冲击下，锂离子电池受到的冲击载荷达到99.46 kN，电压由3.19 V先缓慢下降到3.06 V，再至2.65 V，再骤降至0.35 V，产生硬短路。从图16(b)可以看出，电芯中部的上半部分与壳体接触处有明显的破损。从图16(c)可以看出，电芯底部出现了3层的断裂，其断裂角度为47.58°。
从图17(a)可以看出，在质量为34.87 kg的冲头以6.0 m/s的速度冲击下，锂离子电池受到的冲击载荷达到37.60 kN，电压由3.19 V先缓慢下降到3.09 V，再降至2.78 V，再骤降至0.22 V，产生硬短路。对应的电压降出现了一个微小的反折后直线下滑。从图17(b)可以看出，电芯中部第3层出现了明显的空隙，且顶部与电池壳接触的部分也出现了明显损伤。从图17(c)可以看出，电芯底部则呈现出非直线的换向裂纹，裂纹角度为46.64°。
从图18(a)可以看出，在质量为29.71 kg的冲头以6.5 m/s的速度冲击下，锂离子电池受到的冲击载荷达到25.40 kN，电压由3.19 V先缓慢下降到3.07 V，再降至2.77 V，再骤降至0.26 V，产生硬短路。从图18(b)可以看出，电芯中部的下端区域呈现了褶皱现象。从图18(c)可以看出，电芯底部前两层出现了明显的裂纹，裂纹角度为50.62°，此冲击速度下产生了换向裂纹。
如图14(c)、15(c)、16(c)、17(c)和18(c)所示，冲击过程中施加于电芯结构的破坏力与冲击能量密切相关。当冲击能量超过方形锂离子电池的临界失效能量时，电芯裂纹的扩展通常伴随着电极与隔膜的同时断裂。断裂路径倾向于从电芯顶部以特定角度（46.04°～50.62°）倾斜向下延伸，这一角度由电芯材料的固有力学特性决定。剪切断裂失效通常起始于最大应变点，成为裂纹萌发的源头[27]。断裂裂纹是电芯在承受冲击载荷时的一种典型失效模式，其产生主要受到冲击质量和冲击速度的共同影响。
较大质量的冲头产生较大的冲击载荷，导致隔膜在高载荷冲击下极易发生形变乃至断裂，形成贯穿性裂纹。这种裂纹不仅破坏了隔膜作为绝缘屏障的功能，还导致了正负极之间的有效隔离失效。正负极的相对错位增加了直接接触的风险，如图14(c)所示，从而增大了内短路的发生概率。
相比之下，在较小质量冲头和较高冲击速度的共同作用下，断裂裂纹的扩展深度减小，穿透的电芯层数相比大质量冲头穿透的电芯层数略有减少，见图18(c)。这一现象表明，冲击质量和冲击速度的组合对电芯结构的破坏程度有显著影响，且这种影响对于评估锂离子电池在机械冲击下的安全性至关重要。
依据表4做出的冲击失效曲线如图19所示。关于锂离子电池的失效，可以从冲击质量和冲击速度2个核心因素进行深入探讨。
图 19 在不同冲击质量和不同冲击速度下的冲击载荷曲线及硬短路失效时间Figure 19. Impact load profiles and hard short-circuit failure times at different impact masses and different impact velocities从冲击质量的角度，冲击载荷与冲击质量呈现出正相关关系，见图19(a)。冲击质量的增加直接导致冲击载荷的增大。通过对不同冲击质量导致的不同冲击载荷峰值进行拟合，得到了一条拟合度R2为0.986的曲线（图19(b)）。更大的冲击质量会产生更大的冲击载荷，对电池造成更严重的损伤，裂纹的扩展深度与所受冲击载荷强度成正比，冲击载荷越大，穿透的电芯层数越多，如图14(c)和15(c)所示，进而导致正负极有效连接层数锐减，电压显著下降。因此，冲击质量直接影响电池的受损程度。
从冲击速度的角度分析，冲击载荷与冲击速度呈现出负相关关系，见图19(a)。并且硬短路失效时间与冲击速度呈现出负相关下降的趋势，如图19(c)所示。通过拟合不同冲击速度导致的硬短路失效时间，得到了一条拟合度R2为0.995的曲线。冲击速度越高，硬短路点的失效越早，导致电压降更快出现。高速冲击迅速破环电池内部结构，阻碍了冲击能量在电池内部的传递与转化，使得壳体和电芯几乎同步发生形变。
4. 结 论
通过试验研究了不同冲击质量对方形锂离子电池在冲击载荷下动态力学响应和失效行为的影响，得到了以下主要结论。
(1)方形锂离子电池在受到动态冲击时，冲击质量和冲击速度是导致电池失效的2个关键影响因素。冲击能量作为包含这2个关键参数的物理量，是锂离子电池碰撞安全阈值的关键参数，它决定了电池在碰撞中的安全性能，并作为评估锂离子电池动态失效的重要判定标准。在确定方形锂离子电池可承受的冲击能量阈值时，必须综合考量电池的结构特性、尺寸规格以及电芯材料的异质性。
(2)冲击质量是决定锂离子电池受损伤程度的重要因素。在相同冲击能量下，低速、大质量冲击对锂离子电池造成的破裂损伤明显重于高速、低质量冲击。冲击速度恒定时，冲击质量是决定电池损伤程度的主导因素。当冲击质量较大时，会产生更大的冲击载荷，增大了电芯裂纹的扩展深度，导致其功能受损甚至失效。相反，如果冲击质量较小，所产生的冲击载荷则相对较小，对电芯的破坏程度也会相应减轻。因此，冲击质量的大小直接影响锂离子电池的损伤程度，是评估其安全性能的关键指标。
(3)冲击速度对锂离子电池受损后的电压降具有显著影响。特别是加速了硬短路现象的出现，进一步加剧了电压的下降。这一特性使得冲击速度成为评估锂离子电池受损后电压稳定性和整体安全性能的重要考量因素。
(4)在准静态试验中，挤压速度的快速提升导致锂离子电池失效载荷持续下降，挤压速度成为影响电池短路失效的决定因素。
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图 4 不同进给速度对锂离子电池短路失效的影响
Figure 4. Influences of different feeding velocities on short-circuit failure of lithium-ion batteries
图 5 硬短路失效点能量-进给速度拟合曲线
Figure 5. Fitted energy-feeding velocity curve of hard short circuit failure points
图 6 图4中第2个波峰载荷与第1个波峰载荷之比随进给速度的变化
Figure 6. Ratio of the force at the second wave crest to the one at the first wave crest in Fig.4 varied with feeding velocity
图 7 不同冲击速度和冲头质量的冲击试验中锂离子电池所受到的冲击力及其电压随时间的变化
Figure 7. Variation of impact force loaded on a lithium-ion battery and its voltage with time in drop-weight impact tests with different impact velocities and punch head masses
图 8 在质量为28.50 kg的冲头以6.0 m/s的速度冲击下锂离子电池的结构及其受到的冲击力和电压随位移的变化
Figure 8. Battery structures as well as variations of impact forces loaded on batteries and their voltages with displacement under impact of a 28.50-kg punch head at the impact velocity of 6.0 m/s
图 9 在质量为50.20 kg的冲头以6.0 m/s的速度冲击下锂离子电池的结构及其受到的冲击力和电压随位移的变化
Figure 9. Battery structures as well as variations of impact forces loaded on batteries and their voltages with displacement under impact of a 50.20-kg punch head at the impact velocity of 6.0 m/s
图 10 在质量为71.80 kg的冲头以6.0 m/s的速度冲击下锂离子电池的结构及其受到的冲击力和电压随位移的变化
Figure 10. Battery structures as well as variations of impact forces loaded on batteries and their voltages with displacement under impact of a 71.80-kg punch head at the impact velocity of 6.0 m/s
图 11 不同SOC的锂离子电池在质量为50.20 kg的冲头以5.0 m/s的速度冲击下所受到冲击力及其电压随时间的变化
Figure 11. Impact force- and voltage-time curves of lithium-ion batteries with different SOCs impacted by a 50.20-kg punch at 5.0 m/s
图 12 在50.20 kg-5.0 m/s冲头的冲击下0.5 SOC锂离子电池结构的变形及其载荷和电压随位移的变化
Figure 12. Structure deformation of the lithium-ion battery with 0.5 SOC impacted by a 50.20-kg and 5.0-m/s punch as well as changes of load and voltage with displacement
图 13 在不同质量、不同速度的冲头以恒定能量冲击下锂离子电池所受的冲击力及其电压随时间和位移的变化
Figure 13. Impact force and voltage of lithium-ion batteries subjected to constant impact energy from punches with different masses and different velocities
图 14 在质量为139.50 kg的冲头以3.0 m/s的速度冲击下锂离子电池受到冲击力及其电压随时间的变化以及电芯中部和底部的XCT图像
Figure 14. Impact force- and voltage-time curves of the lithium-ion battery impacted by the 139.50-kg punch with the velocity of 3.0 m/s as well as XCT images for the battery cell middle and bottom
图 15 在质量为78.45 kg的冲头以4.0 m/s的速度冲击下锂离子电池受到冲击力及其电压随时间的变化以及电芯中部和底部的XCT图像
Figure 15. Impact force- and voltage-time curves of the lithium-ion battery impacted by the 78.45-kg punch with the velocity of 4.0 m/s as well as XCT images for the battery cell middle and bottom
图 16 在质量为50.20 kg的冲头以5.0 m/s的速度冲击下锂离子电池受到的冲击力及其电压随时间的变化以及电芯中部和底部的XCT图像
Figure 16. Impact force- and voltage-time curves of the lithium-ion battery impacted by the 50.20-kg punch with the velocity of 5.0 m/s as well as XCT images for the battery cell middle and bottom
图 17 在质量为34.87 kg的冲头以6.0 m/s的速度冲击下锂离子电池受到冲击载荷及其电压随时间的变化以及电芯中部和底部的XCT图像
Figure 17. Impact force- and voltage-time curves of the lithium-ion battery impacted by the 34.87-kg punch with the velocity of 6.0 m/s as well as XCT images for the battery cell middle and bottom
图 18 在质量为29.71 kg的冲头以6.5 m/s的速度冲击下锂离子电池受到冲击载荷及其电压随时间的变化以及电芯中部和底部的XCT图像
Figure 18. Impact force- and voltage-time curves of the lithium-ion battery impacted by the 29.71-kg punch with the velocity of 6.5 m/s as well as XCT images for the battery cell middle and bottom
图 19 在不同冲击质量和不同冲击速度下的冲击载荷曲线及硬短路失效时间
Figure 19. Impact load profiles and hard short-circuit failure times at different impact masses and different impact velocities
表 1 由冲击速度和落锤质量不同组合确定的冲击能量
Table 1. Impact energies determined by different combinations of impact velocity and hammer mass
冲击速度/(m∙s−1) 下落高度/mm 冲击能量/J 28.50 kg 50.20 kg 71.80 kg 1.0 51 14.25 25.10 35.90 2.0 204 57.00 100.40 143.60 3.0 459 128.25 225.90 323.10 4.0 817 228.00 401.60 574.40 5.0 1276 356.25 627.50 897.50 6.0 1838 513.00 903.60 1292.40 
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表 2 硬短路失效点的能量
Table 2. Energies at hard short circuit failure points
进给速度/(mm∙min−1) 位移/mm 载荷/kN 失效点能量/J 1 8.06 256.24 691.61 10 8.40 252.49 794.16 30 8.40 241.06 842.76 50 8.76 169.57 912.06 80 10.08 174.55 1036.69 100 8.40 113.61 692.85
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表 3 恒定冲击能量下的不同冲击速度、落锤初始高度和冲击质量
Table 3. Different impact velocities, initial drop height and impact masses at constant impact energy
冲击能量/J 冲击速度/(m∙s−1) 落锤初始高度/mm 冲击质量/kg 627.75 3.0 459 139.50 627.60 4.0 817 78.45 627.50 5.0 1276 50.20 627.66 6.0 1838 34.87 627.62 6.5 2179 29.71
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表 4 恒定冲击能量下冲击试验的峰值载荷和硬短路失效时间点
Table 4. Peak loads and hard short-circuit failure time points for impact tests at constant impact energy
冲击速度/(m∙s−1) 冲击质量/kg 峰值载荷/kN 硬短路失效时间/ms 3.0 139.50 164.43 3.79 4.0 78.45 127.60 2.36 5.0 50.20 99.46 1.87 6.0 34.87 37.60 1.39 6.5 29.71 25.40 1.27
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[1] LIU B H, JIA Y K, YUAN C H, et al. Safety issues and mechanisms of lithium-ion battery cell upon mechanical abusive loading: a review [J]. Energy Storage Materials, 2020, 24: 85–112. DOI: 10.1016/j.ensm.2019.06.036. [2] XIA Y, WIERZBICKI T, SAHRAEI E, et al. Damage of cells and battery packs due to ground impact [J]. Journal of Power Sources, 2014, 267: 78–97. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2014.05.078. [3] XU J, LIU B H, WANG X Y, et al. Computational model of 18650 lithium-ion battery with coupled strain rate and SOC dependencies [J]. Applied Energy, 2016, 172: 180–189. DOI: 10.1016/j.apenergy.2016.03.108. [4] XU J, LIU B H, WANG L B, et al. Dynamic mechanical integrity of cylindrical lithium-ion battery cell upon crushing [J]. Engineering Failure Analysis, 2015, 53: 97–110. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2015.03.025. [5] JIA Y K, YIN S, LIU B H, et al. Unlocking the coupling mechanical-electrochemical behavior of lithium-ion battery upon dynamic mechanical loading [J]. Energy, 2019, 166: 951–960. DOI: 10.1016/j.energy.2018.10.142. [6] KISTERS T, SAHRAEI E, WIERZBICKI T. Dynamic impact tests on lithium-ion cells [J]. International Journal of Impact Engineering, 2017, 108: 205–216. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2017.04.025. [7] KISTERS T, GILAKI M, NAU S, et al. Modeling of dynamic mechanical response of Li-ion cells with homogenized electrolyte-solid interactions [J]. Journal of Energy Storage, 2022, 49: 104069. DOI: 10.1016/j.est.2022.104069. [8] RATNER A, BEAUMONT R, MASTERS I. Dynamic mechanical compression impulse of lithium-ion pouch cells [J]. Energies, 2020, 13(8): 2105. DOI: 10.3390/en13082105. [9] CHEN X P, WANG T, ZHANG Y, et al. Dynamic behavior and modeling of prismatic lithium-ion battery [J]. International Journal of Energy Research, 2020, 44(4): 2984–2997. DOI: 10.1002/er.5126. [10] CHEN X P, WANG T, ZHANG Y, et al. Dynamic mechanical behavior of prismatic lithium-ion battery upon impact [J]. International Journal of Energy Research, 2019, 43: 7421–7432. DOI: 10.1002/er.4774. [11] KOTTER P, KISTERS T, SCHLEICHER A. Dynamic impact tests to characterize the crashworthiness of large-format lithium-ion cells [J]. Journal of Energy Storage, 2019, 26: 100948. DOI: 10.1016/j.est.2019.100948. [12] HU L L, ZHANG Z W, ZHOU M Z, et al. Crushing behaviors and failure of packed batteries [J]. International Journal of Impact Engineering, 2020, 143: 103618. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2020.103618. [13] SAHRAEI E, KAHN M, MEIER J, et al. Modelling of cracks developed in lithium-ion cells under mechanical loading [J]. RSC Advances, 2015, 5(98): 80369–80380. DOI: 10.1039/c5ra17865g. [14] WANG H, SIMUNOVIC S, MALEKI H, et al. Internal configuration of prismatic lithium-ion cells at the onset of mechanically induced short circuit [J]. Journal of Power Sources, 2016, 306: 424–430. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2015.12.026. [15] CHUNG S H, TANCOGNE-DEJEAN T, ZHU J E, et al. Failure in lithium-ion batteries under transverse indentation loading [J]. Journal of Power Sources, 2018, 389: 148–159. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2018.04.003. [16] ZHU X Q, WANG H, WANG X, et al. Internal short circuit and failure mechanisms of lithium-ion pouch cells under mechanical indentation abuse conditions: an experimental study [J]. Journal of Power Sources, 2020, 455: 227939. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2020.227939. [17] ZHU F, ZHOU R Z, SYPECK D, et al. Failure behavior of prismatic Li-ion battery cells under abuse loading condition: a combined experimental and computational study [J]. Journal of Energy Storage, 2022, 48: 103969. DOI: 10.1016/j.est.2022.103969. [18] LI W, XING B B, WATKINS T R, et al. Damage of prismatic lithium-ion cells subject to bending: test, model, and detection [J]. EcoMat, 2022, 4(6): e12257. DOI: 10.1002/eom2.12257. [19] XING B B, XIAO F Y, KOROGI Y, et al. Direction-dependent mechanical-electrical-thermal responses of large-format prismatic Li-ion battery under mechanical abuse [J]. Journal of Energy Storage, 2021, 43: 103270. DOI: 10.1016/j.est.2021.103270. [20] WANG L B, CHEN J Y, LI J P, et al. A novel anisotropic model for multi-stage failure threshold of lithium-ion battery subjected to impact loading [J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2022, 236: 107757. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2022.107757. [21] KISTERS T, KUDER J, TÖPEL A, et al. Strain-rate dependence of the failure behavior of lithium-ion pouch cells under impact loading [J]. Journal of Energy Storage, 2021, 41: 102901. DOI: 10.1016/j.est.2021.102901. [22] LIU Y J, XIA Y, XING B B, et al. Mechanical-electrical-thermal responses of lithium-ion pouch cells under dynamic loading: a comparative study between fresh cells and aged ones [J]. International Journal of Impact Engineering, 2022, 166: 104237. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2022.104237. [23] LI W, ZHU J E, XIA Y, et al. Data-driven safety envelope of lithium-ion batteries for electric vehicles [J]. Joule, 2019, 3(11): 2703–2715. DOI: 10.1016/j.joule.2019.07.026. [24] CHEN X P, YUAN Q, WANG T, et al. Experimental study on the dynamic behavior of prismatic lithium-ion battery upon repeated impact [J]. Engineering Failure Analysis, 2020, 115: 104667. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2020.104667. [25] ZHANG H J, ZHOU M Z, HU L L, et al. Mechanism of the dynamic behaviors and failure analysis of lithium-ion batteries under crushing based on stress wave theory [J]. Engineering Failure Analysis, 2020, 108: 104290. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2019.104290. [26] KALNAUS S, WANG H, WATKINS T R, et al. Features of mechanical behavior of EV battery modules under high deformation rate [J]. Extreme Mechanics Letters, 2019, 32: 100550. DOI: 10.1016/j.eml.2019.100550. [27] 李志杰. 新能源汽车方形锂离子电池内部芯层载荷变形失效试验与仿真分析 [D]. 广州: 华南理工大学, 2021. DOI: 10.27151/d.cnki.ghnlu.2021.001195.LI Z J. Load deformation failure test and simulation analysis for internal configuration of prismatic lithium-ion batteries on new energy vehicle [D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2021. DOI: 10.27151/d.cnki.ghnlu.2021.001195. -
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