Page 21 - 《爆炸与冲击》2026年第8期

第 46 卷 赵春风，等： 动态荷载作用下钠离子电池的失效行为与安全性能分析 第 8 期

significantly intensifies the temperature rise and advances the occurrence of failure. Under dynamic impact conditions, the
failure displacement decreases with increasing impact velocity and shows a pronounced reduction beyond 20 m/s, whereas the
load-displacement curve exhibits a distinct plateau at high velocities. The crack initiation location displays a strong dependence
on impact velocity: it originates in the central region at low velocities (＜15 m/s), shifts to the bottom at approximately 20 m/s,
and moves to the impact end when the velocity exceeds 30 m/s. This transition is mainly governed by the propagation,
reflection, and superposition of stress waves. Overall, the results indicate that failure of sodium-ion batteries is triggered by
structural instability leading to internal short circuits. The SOC primarily controls the thermal response under low-speed
compression, whereas stress wave effects dominate the failure behavior at high impact velocities. The proposed model
demonstrates good predictive capability for the macroscopic mechanical response and provides valuable insights for the safety
design of sodium-ion batteries.
Keywords: sodium-ion battery; dynamic impact; failure behavior; finite element simulation

近年来，锂离子电池凭借其高能量密度和长循环寿命的优势，已成为电动汽车等储能设备的主流选
[1]
择，受到学术界和工业界的广泛关注 。新能源汽车产业扩张、储能需求激增、环保法规趋严以及高品
位锂矿开采难度高等多重压力导致电池成本居高不下。相较而言，与锂同主族的钠元素具有显著资源
禀赋优势，全球分布广泛且提取工艺成熟，原材料成本显著低于锂电体系且拥有更高的本征安全性优
[2]
势。因此，基于钠构建的电池体系 ，正成为规模化储能领域的重要发展方向 [3-4] 。尽管钠离子电池在安
全性和成本方面具备优势，且在储能领域初步运用，但其在机械滥用下的安全性研究，特别是在碰撞、挤
压等极端工况下的失效机理研究，仍远滞后于锂离子电池，这已成为制约其大规模商业化应用的关键瓶
颈之一。因此，深入研究钠电池在碰撞、挤压工况下的安全性对于促进钠电池的应用具有重要意义。
目前，针对电池在挤压荷载作用下的力学性能和失效分析主要集中于锂离子电池领域，许多学者已
[5]
对其在挤压荷载下的安全性开展了大量研究 。在锂离子电池结构与材料力学表征领域，Sahraei 等 [6] 建
立了均质化模型，利用拉伸截止应力预测了 18650 锂离子电池在多种机械滥用工况下的内短路起始点。
Wierzbicki 等 [7] 则提出混合试验-解析方法，成功提取了圆柱形锂离子电池卷芯的平均力学性能参数，并
基于虚功原理建立了等效模型，结合 LS-DYNA 可压溃泡沫材料模拟，证实了卷芯是电池抗压溃强度的
主要来源，壳体贡献相对微小。Zhang 等 [8] 系统测试了 18650 锂离子电池钢壳的塑性及断裂行为，标定
了 Hill’48 塑性模型和修正 Mohr-Coulomb 断裂准则；通过多工况验证发现，壳体在三点弯曲等载荷下提
供主要结构抗力，显著影响整体机械响应。Zhang 等 [9] 量化了电极材料的拉伸/压缩本构行为，建立了应
变驱动损伤模型，并通过钝头压痕试验和仿真揭示了电极层在机械滥用下的渐进失效过程，包括压缩塌
陷、电流集流体断裂及层间解离等关键机制。
在失效判据和模型构建方面，Xu 等 [10] 基于统一强度理论构建了电池机械失效判据，结合 Johnson-
Cook 模型表征了动态效应，研究发现，当冲击速度超过 20 m/s 时，失效位移显著减小，且失效位置向冲
击点迁移，揭示了动态载荷下电池失效模式的根本性转变。Zhang 等 [11] 基于应力波理论，首次阐明了
18650 锂离子电池在径向冲击下呈现“上升—跌落—平台—再上升”特征的动态响应机制，提出了由临
界速度划分的三阶段失效判据，修正了传统的准静态失效认知。
在动态冲击和应变率效应方面，Xi 等 [12] 结合试验与多尺度仿真，揭示了 18650 锂离子电池在高速冲
击下存在应变率强化效应及失效位移提前现象，证实了动态载荷下应力波传导模式的转变主导剪切失
效行为。Wang 等 [13] 研究了 NMC（镍钴铝酸锂）和 NMC（镍钴锰酸锂）2 种 18650 电池在动态压缩下的力
学性能，发现二者均呈现应变率硬化效应，即抗变形能力随加载速率的提高而增强，据此建立了电池卷
芯的均质有限元模型，为评估电池在冲击工况下的耐撞性提供了有效工具。Zhang 等 [14] 通过动态冲击试
验和有限元模拟，系统研究了荷电状态、冲击头形状及速度对圆柱形锂离子电池压溃行为和内短路失效

机制的影响，并建立了失效位移与冲击参数的定量关系。基于原位试验和有限元分析，Huang 等 [15] 揭示
了高加载速率下电解质流动强化效应导致 18650 锂离子电池内短路提前触发的失效机制。Kisters 等 [16]

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