Page 26 - 《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

Force Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
(b) Schematic of the jelly-roll

O
Displacement
(a) Force-displacement curve (c) Deformed jelly-roll after crushing
图 4 电池挤压过程变形分析
Fig. 4 Deformation analysis during battery crushing

第Ⅰ阶段：电池外壳与电芯间存在初始间隙，载荷主要由壳体承担。此阶段载荷以一定的平均速率
近似线性增长，反映纯弹性变形特征。
第Ⅱ阶段：壳体变形饱和后紧贴电芯，载荷传递至内部卷芯结构。由于卷芯之间存在空隙（图 4(b)），
所以此阶段以卷芯层间空隙的渐进密实化为主导，载荷曲线呈现准平台特征（平均波动幅度＜5%），表明
能量吸收模式转为塑性耗散。
第Ⅲ阶段：卷芯完成密实化后进入协同承载状态（图 4(c)），壳体与电芯共同抵抗变形。载荷以较快
的速率陡升，达到峰值，证实电芯结构成为核心承载单元。
第Ⅳ阶段：结构失稳引发破坏。载荷骤降，电压归零，电解液泄漏，标志内短路触发与功能失效。

3 数值模拟

3.1 应力-应变关系

18650 型钠离子电池的典型结构由钢壳、卷绕式电极组（正极/隔膜/负极）、电解液及安全顶盖（正极
集成泄压阀）构成。其中，正负极通过隔膜实现物理隔离以防止内部短路，其物理构型与同规格锂离子
电池高度一致。为探究冲击载荷下电池的破坏机制，鉴于试验条件严苛，有限元模拟成为有效的研究手

段。然而，钠离子电池内部结构复杂，构建完全还原的精细模型耗时长且难度高。Hu 等 [25] 研究发现，将
内部卷芯（含正极、负极、隔膜及集流体）简化为均质材料的同质化结构，可有效模拟电池的力学响应与
失效行为。因此，本研究采用均质化建模方法系统研究其力学特性。
根据试验测得的 2 mm/min 下的位移-载荷曲线（图 2(b)），以及文献 [7] 中的理论推导，电池内芯的本
构曲线（应力-应变曲线）可以定义为：
P P
σ av = = (1)
A 2bL
σ av 为平均应力，也称为工程应力；P 为总负载；A b 为受挤压宽度的 1/2；
式中： 为与压头接触的截面面积；
L 为电池内芯的长度。
πw
b = (2)
4
w 为万能试验机压头的位移。
式中：
w
ε av = (3)
2R
R 为电池的半径。
式中： ε av 为平均应变，也称为工程应变；

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