PP隔膜的力学性能研究与仿真应用分析

PP隔膜的力学性能研究与仿真应用分析

李军奎  朱亚璟  唐登辉  欧世锐  彭莉嫒

中汽研汽车检验中心（广州）有限公司，广东省广州市，511340，

摘 要

隔膜是锂电池中极其重要的非活动组件，能够分离正负极有效防止内短路。目前隔膜的平面各向异性模型的研究与表征仍欠缺，采用均质化模型会难以模拟预测隔膜的力学性能，进一步限制了锂电池单体模型的建立和锂电池内短路失效分析。本文通过试验与仿真相结合的分析手段，系统研究分析了隔膜的力学性能和仿真模型。通过试验表征了隔膜的力学性能参数，结果表明隔膜具有高度的各向异性。建立了隔膜的各向异性仿真模型，该模型可以准确模拟隔膜的力学性能，为考虑隔膜各向异性的锂电池单体仿真模型的建立提供理论基础。

关键词：隔膜，平面各向异性，力学性能，仿真模型

0  引言

隔膜是锂电池中极其重要的非活动组件，能够分隔正负极有效防止内短路[1-2]。图1显示了PP隔膜的微观结构，表明该材料具有明显的正交性。因此，材料沿纤维方向(MD)拉伸时，主要的变形方式是晶片的龟裂，而在垂直纤维方向(TD)拉伸时，主要的变形方式是晶片的变薄[4]。两个方向的应力应变有很大差异。

图1 隔膜微观结构[3]

在力学模型方面，隔膜的平面各向异性模型的研究与表征欠缺，大多采用各向同性模型。由于锂电池的多层结构，在受载时内部的应力状态复杂，隔膜的各向异性不可忽略。针对现有研究的不足，本文对隔膜的平面各向异性进行了深入研究，并建立其精细化仿真模型，为锂电池的仿真模型提供可靠的数据支撑。

1  试验研究

PP隔膜的厚度方向相对于其他方向的尺寸很小[5]，采用平面应力状态的分析方法，对其平面各向异性进行了深入研究。采用材料试验机和DIC设备[6]，根据图2所示的设计方案进行拉伸试验，获得了PP隔膜准确的力学性能数据。

图2 试件各向异性示意图：（a）材料主轴方向；（b）试件单轴拉伸方向

2  力学性能研究

2.1 各向异性

PP隔膜具有明显的平面正交各向异性，MD与TD的力学性能具有明显的差异性，如图3所示。MD的强度和断裂应变均比TD的大得多；MD的非线性行为也比TD的强得多；弹性模量MD（1187MPa）是TD（738MPa）的1.6倍，强度极限MD（129MPa）是TD（18MPa）的7倍，破坏应变MD（1.7）是TD（0.15）的11倍。此外，MD与TD的断裂模式也明显的不同，如图4，MD的断口曲折、褶皱、粗糙，破裂过程很剧烈；而TD的断口较光滑、平整、无明显的褶皱，破裂过程较平缓。这些都表明，PP隔膜存在高度的平面内各向异性。

图3 PP隔膜不同方向的应力-应变曲线对比

图4 PP隔膜不同方向的破坏模式

从PP隔膜的各向异性分析发现，对于圆柱形锂电池PP隔膜的装配，选择MD作为缠绕方向是一个更安全更理想的方案。

2.2 弹性本构

对于平面正交各向异性材料，假设为平面应力状态，即，则PP隔膜的弹性本构方程为：

(1)

其中，为柔度系数，,,,。和分别为1和2方向的弹性模量，为面内剪切模量，和分别为主泊松比和次泊松比。

可以通过以下方程求解[7]：

(2)

通过材料试验机与DIC设备得到PP隔膜的弹性本构参数如表1所示。

表1 弹性本构参数

2.3 屈服准则

采用Hill’48各向异性屈服准则描述PP隔膜的塑性行为：

(5)

其中屈服应力比参数定义为：

(6)

式中，为试验测量所得的屈服应力；为自定义参考屈服应力。

对于平面内各向异性材料的平面应力问题，，可设。取为方向的单向拉伸屈服应力，则可以得到：

(9)

通过试验得到PP隔膜的平面各向异性参数经如表2所示。

表2 PP隔膜的屈服应力比参数

2.4 本章小结

本章系统的分析了PP隔膜的力学性能，并对其力学性能进行表征，得到了隔膜的各向异性弹性参数，并且建立了隔膜的各向异性模型，为仿真分析提供基础。

3  仿真应用分析

3.1 力学模型

采用各向异性力学模型，其参数如表3所示。

表3 PP隔膜的材料属性汇总

3.2 仿真分析

仿真分析结果如图5所示。显然，试验与仿真的结果吻合，此模型能很好的模拟PP隔膜的力学性能。

图5 仿真与实验的结果对比

3.2 本章小结

本章建立了PP隔膜的各向异性仿真模型，该模型可以准确模拟隔膜的力学性能，为考虑隔膜各向异性的锂电池单体仿真模型提供准确的力学数据与理论基础。

4  结论

本文研究分析了PP隔膜的力学性能与仿真应用，表征其参数并建立各向异性力学模型，得到一些重要的结论和有意义的结果。

（1）PP隔膜具有高度的各向异性，破坏模式截然不同，这是由于隔膜中纤维的排列方向导致隔膜不同方向的截然不同的力学性能。

（2）建立了PP隔膜的各向异性力学模型，该模型可以准确模拟隔膜的力学性能，为考虑隔膜各向异性特性的电池单体模型的建立提供理论基础。

参考文献

[1]方晓汾. 节能与新能源汽车产业发展规划[J]. 中国资源综合利用, 2012, 30(7):10-14.

[2]雷洪钧. 节能与新能源汽车技术路线图[J]. 时代汽车, 2017(1):12-15.

[3]Juner Zhu, Tomasz Wierzbicki, Wei Li. A review of safety-focused mechanical modeling of commercial lithium-ion batteries[J]. Journal of Power Sources 378 (2018) 153-168.

[4]Juner Zhu, Wei Li, Tomasz Wierzbicki, Yong Xia, Jonathon Harding. Deformation and failure of lithium-ion batteries treated as a discrete layered structure[J]. International Journal of Plasticity 121 (2019) 293-311

[5]李晓菲. 纳米SiO2/PVdF-HFP与PP无纺布复合锂离子电池隔膜的制备及性能研究[D]. 苏州大学, 2014.

[6]陈蔚. 微纳米多相复合材料的力学性能及其增强机制[D]. 华南理工大学, 2018.

[7]M.J. Pindera, C.T. Herakovich. Shear characterization of unidirectional composites with the off-Axis tension test[J]. Exp. Mech. 26 (1986) 103-112.