FIAM-EP 抗冲击灌封材料在动力电池防护领域的研究及应用取得进展

　　机械滥用致使的电池失效，即外部载荷作用下电芯发生剧烈变形以及内隔膜受损，导致内部发生短路，是电动汽车在交通碰撞事故中最为普遍的失效模式之一。为提高电池包在机械滥用条件下的安全性，中国科学院力学研究所魏延鹏研究团队，通过将智能抗冲击 FIAM 因子与环氧灌封材料进行化学复合，开发出一种能够有效抵御冲击载荷的电子灌封材料 FIAM-EP。该成果以“Protective performance of shear thickening gel modified epoxy sealant on lithium-ion batteries under mechanical abuse”发表在 Energy 上。

　　近年来，电动汽车在国内外市场中的活跃表现吸引了越来越多的业界关注。相较于传统的燃油汽车，电动汽车具有更好的环保性、经济性以及操控性，因此受到了大量消费者的青睐。然而，与此同时所带来的安全风险也是不容小觑的。随着电池储能效力的日益提高，其受损后可能产生的危险等级也成比例地上升，近期针对电动汽车相关的事故报道已经屡见不鲜，最为常见的便是动力电池包受损后所引起的起火、爆炸以及有毒气体泄漏。目前，电池包中包含大量相互联通的电芯单元，单个电芯的失效也可能诱发“多米诺”效应，造成结构整体的后继破坏。因此，业界提出了利用灌封材料对电池包进行热-力-电多场保护的技术手段。通过将灌封材料注入到电芯间的空隙之中，可以使其有效包裹每个独立单元，并在各个电芯之间形成连结，构成完整的电池包结构。

　　相较于传统环氧灌封胶，除了满足灌封材料基本的导热、绝缘以及耐腐蚀要求外，研究团队开发的 FIAM-EP 具备更加优异的力学性能，尤其是在冲击效应作用下所展现出的强化特性，可以对机械滥用条件下的电池包形成更有效的保护。采取多种测试手段对 FIAM-EP 的动、静态力学性能进行表征，可以发现 FIAM 因子的注入显著提高了环氧基材的延性、韧性、阻尼特性以及能量吸收率，并且提升效力随加载速率的提高而愈发凸显。以材料的延性为例，在应变率为 3000s-1的动态压缩测试中，原始的环氧材料失效应变为 0.26，而 FIAM-EP 的失效应变为 0.61，延性提升率到达了 135%。在完整建立材料力学特性的基础上，通过侧向压痕与落槌冲击两种测试手段，等效还原了电芯与电池包在机械滥用条件下的力-电耦合行为，表征了外载作用下灌封材料的真实防护性能。在侧向压痕测试中，FIAM-EP 提高了受包裹电芯的极限承载力，并且有效延缓了内部短路的触发阈值，展现出了对大变形效应的抗力提升作用。在落锤测试中，相较于原始灌封材料，灌封在FIAM-EP 中的电池包受到了更好的保护，主要体现在各电芯表面的变形量降低，中心区域的加速度衰减显著，这主要归功于 FIAM 因子的冲击强化特性以及对基材阻尼性的增益效果。基于上述实验结果可以发现，采用 FIAM-EP 灌封材料可以一定程度上提高车用电池包在行驶、磕碰以及撞击情况下的结构安全性，降低极端载荷下的安全风险。

　　该工作得到了国家自然科学基金委面上与青年项目（Grant No.12072356, No.12232020 和 No.12302496）以及北京市科技计划-怀柔科学城成果落地项目（No. Z221100005822006）等项目的支持。

图 1. 机械滥用测试方法与测试结果