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弯曲荷载作用下18650型锂离子电池力-电耦合行为及失效机理研究
| 论文题名： | 弯曲荷载作用下18650型锂离子电池力-电耦合行为及失效机理研究 |
| 关键词： | 新能源汽车;锂离子电池;弯曲荷载作用;力-电耦合行为;失效机理 |
| 摘要： | 国家―十四五‖规划将发展新能源汽车作为推动绿色发展的战略举措。作为新能源汽车的―动力之源‖，锂离子电池具有能量密度高，循环寿命长，环保等优点。锂离子电池在使用过程中易遭受机械载荷作用而发生破坏，研究机械荷载作用下锂离子电池的力-电耦合行为及失效机理，发展一种可用于锂离子电池机械破坏监测的新方法具有重要意义。本文以18650型锂离子电池为研究对象，搭建了基于声发射(Acoustic Emission,AE)和三维数字图像相关法(3D Digital Image Correlation,3D-DIC)的监测平台，对弯曲荷载作用下锂离子电池的失效机理进行了研究，并对不同弯曲荷载作用后的锂离子电池进行了不同充放电速率的老化研究。主要结论如下： 1.搭建了基于AE和3D-DIC技术的锂离子电池机械破坏监测平台，解决了锂离子电池弯曲破坏过程中常见的电压等监测手段失效的问题，为锂离子电池的安全监测提供了一种新的监测手段。对三维数字图像进行处理得到了锂电池弯曲破坏应变场，结合AE信号的特征参数进行了分析。结果显示，3D-DIC能从应变场的变化对电池外部的损伤过程进行监测，AE法能够监测电池内部的破坏过程。 2.通过超景深显微镜对锂离子电池破坏断面扫描，结果显示锂离子电池弯曲破坏过程中电极间发生了脱粘、滑移及电极材料开裂三种类型的破坏。结合AE信号中的能量、AE计数以及峰值频率分析了电池的弯曲破坏过程。然后选取8个特征参数进行研究，通过因子分析进行降维，利用模糊均值聚类法对其进行聚类，研究了锂离子电池的弯曲破坏机理。结果显示，聚类得到的三个主成分分别对应电池的三种破坏类型，电极间的滑移和脱粘均从锂离子电池弯曲发生时出现，而电极及隔膜的开裂破坏出现晚于前两种破坏。且在整个电池受弯过程中，电极间的脱粘破坏发生的频率均高于其余两种破坏类型。三种破坏的累积速率在整个加载过程中均出现过两次较大幅度的增加。 3.当锂离子电池遭受弯曲荷载作用但未达到最大破坏载荷时，100个循环内锂离子电池的老化速率与所受弯曲荷载的相关性较小。当电池的充放电速率小于电池所允许的最大充放电速率时，100个充放电循环后电池的容量衰减较小，衰减程度在5%以内。但是当电池充放电速率大于电池所允许的最大充放电速率时，100个充放电循环后电池的容量则出现快速衰减，衰减程度大于50%。 |
| 作者： | 院增瑞 |
| 专业： | 力学 |
| 导师： | 郝文峰 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 江苏大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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