DETA蓄电池复合材料夹层结构电池冲击能耗机理及冲击后剩余性能研究
发布时间：2026-03-28 09:42:42 点击： 次
复合材料夹层结构电池集能量存储与读档功能于一体，为轻量化结构设计与绿色储能提供了潜在可能。然而在复杂读档条件下（尤其是冲击后）的损伤扩展与机电性能退化等问题仍未解决。本研究通过实验与解析模型相结合的方法，探究冲击能量耗散与性能退化机制。结果表明：嵌入式电池虽能提升抗冲击性与刚度，但会导致应力集中与局部屈曲现象。电化学-力学耦合耗能模型揭示了电解质流动耗散与结构塑性变形之间的相互作用。低速冲击主要通过粘弹性机制耗能，而高速冲击则以冲击波和流体动力学效应为主导，导致非线性损伤。冲击后测试可预测残余承载能力，其中试样尺寸和刚度影响残余容量，而强度和模量保持率对受冲击试样至关重要。本研究为优化储能-承载复合材料的冲击防护性能提供了理论依据。
随着全球电气化进程的推进，电动汽车和航空航天工业对储能效率与轻量化设计提出了更高要求[1][2]。然而传统电池系统往往占据较大比重[3]，显著影响电动汽车的续航里程与能效表现。作为主要能量载体，锂离子电池在某些车型中的重量甚至可达整车总质量的四分之一[4]，这无疑对车辆性能、成本及环境效益造成不利影响。因此，将储能系统与结构材料相融合以提升能效并实现减重，已成为材料科学与工程领域亟需解决的关键性难题。
复合材料，特别是碳纤维增强聚合物（CFRP），因其高强度与轻量化特性成为集成储能与结构功能的理想选择[5]。通过将锂电池嵌入CFRP结构，可在实现储能功能的同时提供机械支撑，有效减轻电池组件的附加重量。然而该设计在实际应用中仍面临诸多挑战。由于复合材料的分层特性，当电池嵌入层压板并承受冲击时，常出现界面失效与纤维断裂等问题[6]。为应对这些挑战，夹层结构被引入复合材料结构电池的设计中。引入泡沫或蜂窝夹层结构不仅为复合材料提供额外的机械保护，还能通过芯材的缓冲效应有效提升其抗冲击性能，同时为嵌入式锂电池提供隔热、减震等功能。这种复合材料夹层结构在电动汽车和航空航天器领域具有广阔应用前景，因其能够承受鸟撞、碎片撞击、翻滚及跌落等多种冲击形式[7]。
对于嵌入式结构电池而言，由于电池的压缩性能远低于复合材料，在读档条件下更易出现应力集中现象，且碳纤维的不连续性以及电池-复合材料界面处软质聚合物层的存在会显著影响层合板的压缩刚度、失效应力和疲劳寿命[5]。实验结果表明，嵌入式结构电池压缩性能的降低取决于电池的数量与排列方式。Pereira等[8]、[9]将薄膜锂电池嵌入碳纤维/环氧树脂层压板并进行了力学测试。测试结果表明，嵌入锂电池并未显著改变碳纤维/环氧树脂层压板的强度与刚度。当复合材料承受的机械载荷达到其极限抗拉强度的50%时，电池仍能正常充放电。Thomas等人[10]研究发现，与碳纤维增强环氧层压板相比，含有嵌入式电池的泡沫夹芯复合材料因电池嵌入导致的厚度增加，其弯曲刚度有所提升。Thomas[11]及其研究团队将破坏应力的降低归因于嵌入式电池存在导致的厚度不均，以及复合材料与电池间弱界面结合产生的几何应力集中现象。Shalouf等人[12]指出，复合夹层结构电池的力学性能在拉伸和弯曲载荷下不会发生显著变化，但在压缩过程中容易因过早屈曲而发生失效。
尽管已有大量研究对传统泡沫夹芯板的低速冲击响应特性进行了表征[13][14][15][16][17]，并建立了用于损伤检测的无损方法（如微计算机断层扫描、红外热成像技术）[18][19][20][21][22]，但这些研究大多将芯材视为单相固体介质。对于一体化结构电池而言，粘性电解质与离散电池-蒙皮界面的存在会引发复杂的能量耗散路径，而传统夹层结构力学理论并未涵盖这一现象。现有文献主要聚焦于拉伸和弯曲性能研究，导致对电池内部流固耦合如何影响抗冲击性能及冲击后剩余强度的认知存在显著空白。
然而，冲击损伤对复合材料结构的剩余强度和稳定性具有显著影响。传统复合材料夹层板通常采用冲击后压缩（CAI）试验评估其冲击损伤容限[23]。实验与模型分析表明，利用CAI强度模型可有效预测复合材料夹层板的失效载荷与损伤扩展[24]。数值模拟是研究复合材料在冲击条件下行为的有效工具。现有研究表明，面板厚度[15]、芯材密度[25]与材料特性[26]对冲击性能具有显著影响。例如，较厚的面板有助于提升结构抗冲击性，而泡沫或蜂窝芯材则通过其能量吸收特性提供额外防护。在数值模拟中，引入复合材料层间失效准则及电池-复合材料界面的弱粘结特性，可更精确地捕捉冲击后的分层、纤维断裂与电池损伤行为。
与传统复合夹层板相比，复合夹层结构电池的失效行为与损伤机制更为复杂。由于电池嵌入后引入了多重材料界面与结构异质性，其损伤扩展可能涉及界面分层、内部裂纹扩展与屈曲失效的复合作用。因此，建立精确的损伤评估模型以分析结构参数与载荷条件对失效行为的影响，对于提升结构设计效率、优化材料选型以及支持服役期间的健康监测具有重要意义。该研究对复合夹层结构电池在航空航天等极端工况下的安全性与可靠性应用至关重要。尽管压缩后冲击（CAI）是评估传统复合材料损伤容限的标准协议，但其在多功能夹层结构电池中的应用尚未被探索。本工作的创新性不在于CAI方法本身，而在于解决了结构失效与电池变形引起的瞬态电化学性能退化之间的复杂耦合问题。
本研究的核心贡献在于阐明了一种新型电解质流动耗散机制，该机制主导着冲击过程中的能量吸收。通过构建解析电化学-力学耦合模型，我们量化了由电解质粘度引起的能量耗散——这一因素在结构电池研究中长期被忽视。本研究结合DIC技术与X射线计算机断层扫描，揭示了复合材料架构与嵌入式电池之间的多场损伤耦合关系。此外，研究基于弹性势能理论推导出预测残余抗压强度的解析框架，为储能-承载一体化结构的安全设计提供了具有动作指导意义的见解。
引言
复合材料，特别是碳纤维增强聚合物（CFRP），因其高强度与轻量化特性成为集成储能与结构功能的理想选择[5]。通过将锂电池嵌入CFRP结构，可在实现储能功能的同时提供机械支撑，有效减轻电池组件的附加重量。然而该设计在实际应用中仍面临诸多挑战。由于复合材料的分层特性，当电池嵌入层压板并承受冲击时，常出现界面失效与纤维断裂等问题[6]。为应对这些挑战，夹层结构被引入复合材料结构电池的设计中。引入泡沫或蜂窝夹层结构不仅为复合材料提供额外的机械保护，还能通过芯材的缓冲效应有效提升其抗冲击性能，同时为嵌入式锂电池提供隔热、减震等功能。这种复合材料夹层结构在电动汽车和航空航天器领域具有广阔应用前景，因其能够承受鸟撞、碎片撞击、翻滚及跌落等多种冲击形式[7]。
对于嵌入式结构电池而言，由于电池的压缩性能远低于复合材料，在读档条件下更易出现应力集中现象，且碳纤维的不连续性以及电池-复合材料界面处软质聚合物层的存在会显著影响层合板的压缩刚度、失效应力和疲劳寿命[5]。实验结果表明，嵌入式结构电池压缩性能的降低取决于电池的数量与排列方式。Pereira等[8]、[9]将薄膜锂电池嵌入碳纤维/环氧树脂层压板并进行了力学测试。测试结果表明，嵌入锂电池并未显著改变碳纤维/环氧树脂层压板的强度与刚度。当复合材料承受的机械载荷达到其极限抗拉强度的50%时，电池仍能正常充放电。Thomas等人[10]研究发现，与碳纤维增强环氧层压板相比，含有嵌入式电池的泡沫夹芯复合材料因电池嵌入导致的厚度增加，其弯曲刚度有所提升。Thomas[11]及其研究团队将破坏应力的降低归因于嵌入式电池存在导致的厚度不均，以及复合材料与电池间弱界面结合产生的几何应力集中现象。Shalouf等人[12]指出，复合夹层结构电池的力学性能在拉伸和弯曲载荷下不会发生显著变化，但在压缩过程中容易因过早屈曲而发生失效。
尽管已有大量研究对传统泡沫夹芯板的低速冲击响应特性进行了表征[13][14][15][16][17]，并建立了用于损伤检测的无损方法（如微计算机断层扫描、红外热成像技术）[18][19][20][21][22]，但这些研究大多将芯材视为单相固体介质。对于一体化结构电池而言，粘性电解质与离散电池-蒙皮界面的存在会引发复杂的能量耗散路径，而传统夹层结构力学理论并未涵盖这一现象。现有文献主要聚焦于拉伸和弯曲性能研究，导致对电池内部流固耦合如何影响抗冲击性能及冲击后剩余强度的认知存在显著空白。
然而，冲击损伤对复合材料结构的剩余强度和稳定性具有显著影响。传统复合材料夹层板通常采用冲击后压缩（CAI）试验评估其冲击损伤容限[23]。实验与模型分析表明，利用CAI强度模型可有效预测复合材料夹层板的失效载荷与损伤扩展[24]。数值模拟是研究复合材料在冲击条件下行为的有效工具。现有研究表明，面板厚度[15]、芯材密度[25]与材料特性[26]对冲击性能具有显著影响。例如，较厚的面板有助于提升结构抗冲击性，而泡沫或蜂窝芯材则通过其能量吸收特性提供额外防护。在数值模拟中，引入复合材料层间失效准则及电池-复合材料界面的弱粘结特性，可更精确地捕捉冲击后的分层、纤维断裂与电池损伤行为。
与传统复合夹层板相比，复合夹层结构电池的失效行为与损伤机制更为复杂。由于电池嵌入后引入了多重材料界面与结构异质性，其损伤扩展可能涉及界面分层、内部裂纹扩展与屈曲失效的复合作用。因此，建立精确的损伤评估模型以分析结构参数与载荷条件对失效行为的影响，对于提升结构设计效率、优化材料选型以及支持服役期间的健康监测具有重要意义。该研究对复合夹层结构电池在航空航天等极端工况下的安全性与可靠性应用至关重要。尽管压缩后冲击（CAI）是评估传统复合材料损伤容限的标准协议，但其在多功能夹层结构电池中的应用尚未被探索。本工作的创新性不在于CAI方法本身，而在于解决了结构失效与电池变形引起的瞬态电化学性能退化之间的复杂耦合问题。
本研究的核心贡献在于阐明了一种新型电解质流动耗散机制，该机制主导着冲击过程中的能量吸收。通过构建解析电化学-力学耦合模型，我们量化了由电解质粘度引起的能量耗散——这一因素在结构电池研究中长期被忽视。本研究结合DIC技术与X射线计算机断层扫描，揭示了复合材料架构与嵌入式电池之间的多场损伤耦合关系。此外，研究基于弹性势能理论推导出预测残余抗压强度的解析框架，为储能-承载一体化结构的安全设计提供了具有动作指导意义的见解。