失效鋰離子電池材料及力學特性研究

摘 要：基于工程力學的視角，失效鋰離子電池作為復合性的材料，其破碎特性對于電池的抗壓、抗拉、抗彎、抗剪等力學測試，具有一定的研究意義。為了研究失效鋰離子電池在外力作用下的破碎特點，本文將對失效鋰離子電池材料的性能進行分析，并進一步了解其力學特性，以通過掌握電池的力學特性，為失效鋰離子的有效破碎，奠定理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：失效鋰離子；電池材料；力學特性

1 失效鋰離子電池材料性能分析

鋰離子電池的用途不同，其形狀也會不同，但所采用的材料，以及結(jié)構(gòu)沒有太大的區(qū)別，某些體積小而數(shù)量多的鋰離子電池，譬如手機鋰離子電池，出于成本因素的考慮，沒有辦法進行大規(guī)模的人工拆卸處理，使得失效電池的資源化處理目標很難實現(xiàn)。關(guān)于失效鋰離子電池材料性能的分析，需要分為兩個部分：

1.1 電池組成

以某品牌手機的失效鋰離子電池為例，該電池形狀方形，由塑料殼、金屬殼、正極、負極、隔膜和其他組合物組成，其中外層為塑料外殼、內(nèi)芯為鋁制金屬、內(nèi)部為卷式結(jié)構(gòu)。該電池的塑料外殼從兩側(cè)嵌入，包裹電池的內(nèi)芯，而內(nèi)芯保護層由鋁制金屬外殼包裹，厚度大約為0.1mm，正極和負極則為活性材料，均為折疊20層，隔膜將正極和負極的材料分隔開，厚度大約為4.5mm，最后是連接電極的電路板，與內(nèi)芯的長度和寬度一致，也被包裹在塑料外殼的內(nèi)部。

1.2 材料結(jié)合方式

失效鋰離子電池材料的結(jié)合分為壓合和粘合力兩種結(jié)合方式，前者是外殼、正極、負極、隔膜材料之間的結(jié)合，這些材料需要依靠壓力才能結(jié)合在一起，但物質(zhì)分子之間的性質(zhì)是彼此分開的；后者則是電極活性材料和銅/鋁箔之間的粘合，不是簡單的壓力結(jié)合，而是需要物質(zhì)之間的互相滲透，分子與分子之間完全牢固結(jié)合在一起。以上的結(jié)合材料，對材料的破碎解離有很明顯的影響，前者在破壞壓合作用力之后，就能夠破碎解離，后者要求解除粘合劑的作用，才能夠完成解離。

2 失效鋰離子電池力學特性研究

鑒于失效鋰離子電池材料的性能，失效鋰離子電池力學特性的研究，需要對材料的壓縮、拉伸、剪切、沖擊等進行實驗測定，以確定應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系，具體的研究方法如下。

2.1 預處理

失效鋰離子電池外殼與內(nèi)芯沒有結(jié)合力，從力學的角度，要將帶有外殼的試樣進行外殼玻璃。為了提高實驗的安全系數(shù)，同時防止電池結(jié)構(gòu)破壞而引起污染，需要在玻璃之前，用一定濃度的NaCl浸泡電池，放電一定時間后，在用清水洗凈和自然風干，然后對大小尺寸進行測量。

2.2 抗壓實驗

抗壓實驗的方法是將樣品放置在載具上，然后利用實驗機，沿著電池主軸的方向按照2mm/min勻速壓縮，在電池壓縮量達到預定值9KN之后，實驗機就會自動停止作業(yè)。實驗結(jié)果所顯示的失效鋰離子電池試樣在單位橫截面面積所承受的壓縮負荷，是測得力和試樣原始面積之比，而電池試樣的壓縮應(yīng)變，表示每單位面積的原始標距減少值，屬于應(yīng)變的參數(shù)，是試樣標距減少量和試樣原始標距之比。通過試驗可以看出失效鋰離子電池在受到壓應(yīng)力之后，其變形幅度與應(yīng)力成正比關(guān)系，因而在將電池外殼玻璃的時候，容易出現(xiàn)壓邊破裂，沒有辦法有效解離，因此不能利用擠壓破碎的方法解離失效鋰離子電池。

2.3 抗拉實驗

抗拉實驗的方法是樣品放置于實驗機夾具的中間，然后按照2mm/min的荷載速度，進行開機后的抗拉實驗，在荷載定力減少到施加應(yīng)力40%/s的時候，實驗機就會自動停機。實驗結(jié)果所顯示的失效鋰離子電池試樣在單位橫截面所承受拉力負荷，可以計算出拉伸應(yīng)力的大小，測得拉力與試樣寬厚度乘積之比，而電池試樣每單位原始標距的減少值，屬于應(yīng)變參數(shù)，是實驗結(jié)束時試樣標線距離減少值與試樣原始標距之差，與試樣原始標距之比。通過實驗可以看出抗拉實驗應(yīng)力呈應(yīng)變曲線分布，表示應(yīng)力變形幅度增大之后，只要不超過彈性變形階段，就不會脫離胡克定律。

2.4 抗彎實驗

抗彎實驗的方法是將樣品以2mm/min均勻的速度，往跨度中心的方向進行彎曲，在樣品出現(xiàn)變形，并且達到預定值之后，實驗機就會自動停止運作。實驗結(jié)果所顯示的失效鋰離子電池樣品彎曲應(yīng)力，即跨度中心外表面的正應(yīng)力，是通過跨度、試樣跨度、試樣厚度等的綜合計算得出的結(jié)果，而試樣跨度中心外表面單元長度的微量變化，屬于彎曲應(yīng)變，需要借助跨度、撓度、試樣厚度計算得出，在應(yīng)力增大之后，撓度也會隨著增加，此時失效鋰離子電池沒有出現(xiàn)斷裂情況，表現(xiàn)出較好的韌性，電池的結(jié)構(gòu)被破壞之后，卷式結(jié)構(gòu)的正極和負極會露出，說明彎力的破碎方法，可能使得失效鋰離子電池破壞解體。

3 結(jié)束語

綜上所述，失效鋰離子電池材料一般由塑料殼、金屬殼、正極、負極、隔膜和其他組合物組成，出于成本因素的考慮，沒有辦法進行大規(guī)模的人工拆卸處理，使得失效電池的資源化處理目標很難實現(xiàn)。鑒于失效鋰離子電池材料的性能，失效鋰離子電池力學特性的研究，需要對材料的壓縮、拉伸、剪切、沖擊等進行實驗測定，以確定應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系，為解體破碎提供依據(jù)。

參考文獻

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