Page 30 - 《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

15 m/s）裂纹主要出现在卷芯的中部，在受到径向压缩时，受冲击端经压头冲击产生了一个在电池中传播
的应力波，受自由表面边界条件约束经固定端反射，在电池中部产生局部应力集中，当应力增大到定义
的破坏应力时，卷芯出现裂纹。在中等速度（20 m/s）下，压缩波传播至刚性底部后反射形成拉伸波，底部
区域在拉-压叠加应力下因材料抗拉强度较低优先失效。在较高冲击速度（大于 30 m/s）下，因为冲击速
度的提高导致应力的提高，使得卷芯在压缩波反射之前拉伸应力就达到破坏值，出现微小裂纹。值得注
意的是，2 种速度下裂纹出现的位置略有不同。这是因为最大拉应力首先出现于靠近冲击段的两侧，如
图 7 所示。卷芯的继续压缩导致最大拉应力出现区域逐渐蔓延，并在中部区域集中，使得在较低速度
时，裂纹首先出现在中间，当速度更高时，两侧出现的最大拉应力直接达到临界值，发生破坏，因而裂纹
出现在两侧。本研究结果与 Zhang 等 [11] 的研究结果相似，表明本研究结果较合理。

Maximum principal
stress/MPa
12.20
1 m/s 10 m/s 20 m/s 10.78
9.36
7.94
6.52
5.10
3.68
2.26
0.84
−0.58
−2.00

30 m/s 35 m/s

图 9 不同冲击速度下裂纹最早出现的位置
Fig. 9 Initial crack locations at different impact velocities

5 结 论

通过试验与有限元模拟相结合的方法，研究了 18650 型钠离子电池在准静态挤压和动态冲击荷载
下的力学响应与失效行为。建立了 18650 钠离子电池的均质模型，并基于试验数据确定了模型关键参
数，得到的主要结论如下。
(1) 在准静态挤压条件下：电池载荷-位移曲线呈现“上升—平台—急剧上升—快速下降”的典型四
阶段特征。载荷曲线的快速下降对应着电压的显著跌落，标志着电池失效的发生，且失效点对应的位移
随挤压速度的提高而增大（右移）。值得注意的是，在低速工况下（v＜15 mm/min），充电状态是主导温升
变化的关键因素。
(2) 在动态冲击过程中：载荷下降点并非必然对应电池失效，失效点可能出现在载荷上升或下降的
任意阶段。随着冲击速度的提高，失效点对应的位移逐渐减小（左移），且当冲击速度超过 20 m/s 时，失
效位移呈现急剧下降趋势。此外，电池内部裂纹萌生位置受冲击速度影响显著：在惯性效应较小的低冲
击速度（v＜15 m/s）下，变形相对均匀，裂纹首先萌生于卷芯中部；冲击速度升至 20 m/s 时，裂纹出现于卷
芯底部；速度达到 30 m/s 时，裂纹转移至靠近冲击端的中部区域；而在 35 m/s 的高速冲击下，裂纹则萌生
于靠近冲击端的两侧区域。
(3) 通过对钠离子电池的研究和已有 18650 锂离子电池的文献发现，钠离子电池表现出更高的峰值
载荷、更长的失效临界位移，并且在失效时温度明显更低。这表明，该钠离子电池体系不仅具备更优的
机械鲁棒性，其本征热稳定性也更出色，展现出作为高安全性储能元件的巨大潜力。

081501-11