Page 29 - 《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 −0.20 第 8 期

Maximum principal stress/MPa
8.00
7.20
6.40
5.60
4.80
v=20 m/s
4.00
3.20
2.40
1.60
0.80
δ=1 mm δ=2 mm δ=4 mm 0
图 7 不同冲击速度下钠离子电池达到特定位移时的最大主应力云图
Fig. 7 Contours of maximum principal stress when sodium-ion batteries reach a specific displacement
at different impact velocities
条件（边界应力需归零）约束，将反射并转换为拉伸波向上传播。同时，电池卷芯固有的凹面结构特征促
使反射的拉伸波在自由表面上方区域形成显著的应力集中。
值得注意的是，不同冲击速度下观察到的拉应力集中区域位置变化，与冲击速度对系统响应时间尺
度的影响密切相关。由于卷芯压实导致弹性模量增加，弹性波在介质中的传播速度随之提高。在较高
冲击速度下，电池达到相同特定位移所需的时间显著缩短。这种时间尺度的压缩直接影响应力波的传
播距离与叠加状态，进而导致应力集中区域位置发生偏移。

不同冲击速度下钠离子电池的力学响应曲 45
线与失效示意图如图 8 所示，将出现裂纹视为失 40 1 m/s
5 m/s
效（删除网格），图中黑点标识了相应的失效点。 35 10 m/s
15 m/s
从图 8 可以看出，在较高冲击速度下，电池承受 30 20 m/s
的峰值载荷明显低于较低速度下的峰值载荷。 25 30 m/s
40 m/s
同时，随着冲击速度的提高，达到失效所需的位 Force/kN 20
移显著减小。这种减小趋势呈现出速度依赖性： 15
在较低速度范围内（v＜10 m/s），速度提高导致失 10
效位移减小的幅度相对平缓；然而，当速度超过 5
10 m/s 时，失效位移的减小幅度急剧增大；尤其
0 2 4 6 8
在超过 30 m/s 的超高速冲击下，失效位移发生突 Displacement/mm
变，压缩位移甚至不足 1 mm 即发生失效，这在
图 8 不同冲击速度下钠离子电池的力-位移曲线
以往的研究 [10] 中有相似的现象。
Fig. 8 Force-displacement curves of sodium-ion batteries
失效点与载荷-位移曲线的关系也随冲击速 at different impact velocities
度变化。在较低冲击速度下，失效点通常对应着
曲 线 的 峰 值 点 ， 即 载 荷 开 始 下 降 的 起 点 。 但 在 较 高 冲 击 速 度 下 ， 这 种 对 应 关 系 变 得 复 杂 ， 例 如 ： 在
20 m/s 时，失效点出现在载荷曲线已进入下降段之后；而在 10 m/s 时，失效点则出现在载荷峰值点之前
的上升段。值得注意的是，高速冲击（v≥10 m/s）下，载荷曲线在上升段与下降段之间普遍存在一个明显
的平台区，在此区域内载荷基本保持稳定，变化很小。
这种力学响应的差异与电池内部变形模式紧密相关。在低速冲击下（如图 8 所示），电池内部卷芯
的变形相对均匀，较早达到的失效点导致其峰值载荷较低。而在高速冲击下，应力波效应显著，卷芯的
变形主要集中于受冲击端，这种局部化的变形模式也是导致其峰值载荷相对较低的原因。
本研究所建立的均质化模型虽高效模拟了电池的宏观动态响应，但存在固有局限。它无法精确刻
画电池内部因组分不均引发的局部应力集中与微观失效机制，也难以准确描述各组分独立的应变率敏
感特性，从而在一定程度上限制了其对高速冲击下内短路触发等局部化失效行为的精确预测能力。
4.2 不同冲击速度下的失效分析

不同冲击速度下电池卷芯的变形模式和裂纹位置如图 9 所示。由图 9 可知，在较低速度下（1～

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