论文题目：Influence of component properties on the mechanical response of lithium-ion battery jellyrolls subjected to indentation: Quick prediction and parametric study
论文地址：https://doi.org/10.1016/j.est.2025.116612
期刊名称：Journal of Energy Storage
文献引用：
Zhao T, Zhang S, Teuwsen J, Xu Z, Xia Y, Qu Y. Influence of component properties on the mechanical response of lithium-ion battery jellyrolls subjected to indentation: Quick prediction and parametric study [J]. Journal of Energy Storage, 2025, 122: 116612.
高能量密度动力电池广泛应用于新能源车辆，但在机械外载下存在结构失效与热失控风险。现有研究的共识是机械滥用内短路由隔膜断裂决定，但缺乏对电芯结构失效受组分性能变化影响的透彻分析。本文聚焦电池卷芯的挤压力学响应，建立精细化有限元模型与 Kriging 代理模型，结合参数敏感性分析，系统揭示了关键组分性能对失效演化及内短路风险的作用机制，为电池安全设计提供了依据。
模型与快速预测框架
建立电池卷芯精细化有限元模型，基于力学测试数据标定了五种组分材料力学参数，使得精细化模型可准确预测极片层叠压缩与卷芯柱面挤压力学响应。为实现组分性能变化下电池卷芯挤压响应的快速预测，基于拉丁超方采样方法构建仿真数据集，覆盖了关键组分力学性能的实际变化区间，建立了 Kriging 代理模型。
图1. 挤压工况电池卷芯的精细化模型
卷芯失效演化
通过精细化仿真分析，追踪了卷芯挤压过程中的局部应变集中与失效演化。在剪应力作用下，压头肩侧的活性涂层容易发生滑移失效，压头下方区域则因集流体断裂诱导涂层破坏，且集流体断裂进一步加速了邻近集流体与隔膜破坏。
图2. 卷芯结构断裂特征
参数化分析
通过有限元仿真和代理模型计算分析，探究了组分相互作用以及卷芯挤压响应的参数敏感性。可以看到，集流体断裂主导卷芯结构整体破坏；提前失效的涂层可诱发邻近集流体断裂，加速卷芯结构失效；随着断裂参数变化，集流体与涂层断裂呈现竞争关系。整体结构刚度软化有助于缓解局部集流体变形集中，延缓卷芯断裂。隔膜断裂直接引发内短路，集流体破断后隔膜失效显著加速，但隔膜自身性能变化对卷芯整体挤压影响有限。
图3. 卷芯结构中集流体失效顺序分析
组分相互作用分析发现，集流体提前断裂对卷芯结构破坏有更显著的诱导；负极涂层对集流体断裂的影响比正极涂层更为突出，软化负极涂层能够更有效延后卷芯断裂。
图4. 集流体失效参数变化和正负极涂层刚度变化对卷芯结构失效的影响
小结主要影响因素和相互作用可知，提升较弱集流体的强塑积，可在卷芯挤压工况中显著延后断裂；为防止活性涂层失效诱导较弱集流体提前破坏，可适度软化负极涂层；单纯提高隔膜延展性难以有效延迟内短路，考虑到集流体断裂的结构失效主导作用，应协同优化各组分性能参数，全面提升机械外载下的卷芯安全性。
图5. 卷芯结构中集流体失效顺序分析
总结与展望
本研究基于精细化建模与 Kriging 代理模型，系统分析了电池卷芯挤压工况的失效演化及组分性能影响机理。指出了卷芯结构失效的“短板效应”，明确了最弱集流体对整体结构失效的主导作用，揭示了涂层滑移破坏与集流体断裂的竞争协同机制。依托代理模型，本研究实现了组分性能变化下卷芯力学响应与失效风险的快速预测。
来源：汽车安全与轻量化
