نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر

نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر

بررسی تجربی اثر همزمان دما و پیرشدگی بر ایمنی مکانیکی و رفتار شکست باتری لیتیوم-یون استوانه‌ای تحت ضربه دینامیکی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی دانشگاه شهید بهشتی
10.22060/mej.2026.24433.7868
چکیده
پژوهش حاضر با هدف ارزیابی تجربی رفتار ایمنی و مکانیزم شکست سلول‌های باتری لیتیوم-یون استوانه‌ای ۱۸۶۵۰ تحت بارگذاری ضربه دینامیکی انجام شده است. بدین منظور، با توسعه یک بستر آزمون ضربه پنوماتیک منطبق بر استاندارد SAE J2464، اثر همزمان پارامترهای دمای اولیه (۲۵، ۰ و ۲۵- درجه سلسیوس)، وضعیت شارژ (۱۰% و ۱۰۰%) و وضعیت سلامت (سلول نو و پیرسازی شده طی ۴۰۰ چرخه) مورد سنجش قرار گرفت. نتایج تجربی حاصل از پردازش تصاویر سرعت بالا و داده‌های حرارتی نشان داد که در دمای محیط، برخورد با سرعت بحرانی ۹.۲۳ متر بر ثانیه در نمونه‌های با شارژ کامل، منجر به گسیختگی آنی جداکننده و وقوع اتصال کوتاه داخلی گسترده می‌شود. در این شرایط، ولتاژ سلول در کمتر از ۲۹۰ میلی‌ثانیه به صفر رسید و فرار حرارتی انفجاری با نرخ افزایش دمای شدید تا ۶۶۲ درجه سلسیوس به وقوع پیوست. در مقابل، مهم‌ترین یافته پژوهش حاکی از افزایش قابل‌توجه مقاومت مکانیکی سلول در دماهای برودتی است؛ به‌طوری‌که در دمای ۲۵- درجه سلسیوس، حتی در سرعت‌های برخورد بالا، هیچ‌گونه نفوذ و واکنش گرمازایی ثبت نشد. تحلیل‌های تکمیلی نشان می‌دهد که انجماد جزئی و افزایش ویسکوزیته الکترولیت در دمای پایین، با ایجاد یک تکیه‌گاه داخلی و رفتار شبه‌جامد، مانع از تمرکز تنش موضعی و پارگی جداکننده می‌شود.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Experimental Investigation of the Simultaneous Effect of Temperature and Aging on Mechanical Safety and Failure Behavior of Cylindrical Lithium-Ion Batteries Under Dynamic Impact

نویسندگان English

Mohammad Ali Ehteram
Amir Nezhadsafar
Mechanical and Energy Engineering, Shahid Beheshti University
چکیده English

The present research aims to experimentally evaluate the safety behavior and failure mechanism of 18650 cylindrical lithium-ion battery cells under dynamic impact loading. To this end, a pneumatic impact testing apparatus was developed in accordance with the SAE J2464 standard to assess the simultaneous effects of initial temperature (25, 0, and -25 °C), state of charge (10% and 100%), and state of health (fresh and aged over 400 cycles). Experimental results derived from high-speed imaging and thermal data analysis indicated that at ambient temperature, impact with a critical velocity of 9.23 m/s on fully charged samples led to immediate separator rupture and extensive internal short circuit. Under these conditions, the cell voltage dropped to zero within 290 ms, and explosive thermal runaway occurred with a severe temperature rise reaching 662 °C. In contrast, the most significant finding of this study reveals a substantial enhancement in the cell's mechanical resistance at sub-zero temperatures; remarkably, at -25 °C, no penetration or exothermic reaction was recorded even at high impact velocities. Further analysis suggests that the partial solidification and increased viscosity of the electrolyte at low temperatures act as an internal support with quasi-solid behavior, thereby preventing local stress concentration and separator tearing.

کلیدواژه‌ها English

Lithium-ion Battery
Safety
Mechanical Impact
Temperature Effect
Thermal Runaway

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 26 اردیبهشت 1405