Characterization of in-situ material properties of pouch lithium-ion batteries in tension from three-point bending tests

弯曲 材料科学 有限元法 张力(地质) 表征(材料科学) 结构工程 屈曲 压缩(物理) 材料性能 复合材料 极限抗拉强度 变形(气象学) 蠕动 抗弯刚度 工程类 纳米技术
作者
Mohammad Mehdi Keshavarzi,Mehdi Gilaki,Elham Sahraei
出处
期刊:International Journal of Mechanical Sciences [Elsevier BV]
卷期号:219: 107090-107090 被引量:15
标识
DOI:10.1016/j.ijmecsci.2022.107090
摘要

To understand the mechanisms of deformation and failure of lithium-ion batteries in case of a crash, it is necessary to accurately characterize their constitutive properties. Previous studies in the field mainly focused on the homogenized compression properties of the cells, which are dominant in load cases such as local indentations. However, in complex practical loadings, such as bending, tension properties play an equally important role. Such complex loads can lead to rupture of the electrode tabs and external short-circuits, which can cause catastrophic outcomes. In the current literature, tensile properties are characterized using specimens extracted from the cell, outside of their operational environment, which leads to unrealistic values. In this study, for the first time, an analytical characterization method is developed to extract the homogenized tensile properties of a cell from bending tests in in-situ conditions. In the next step, this data is used, along with an elaborative procedure, to calibrate a fully uncoupled anisotropic material model for the pouch cells. The material model is utilized to build a single homogenized finite element pouch cell model which is the first of its kind to be validated in all major loading cases; flat, hemispherical, and cylindrical punch indentations and specifically three-point bending, and in-plane compression. This material characterization and the modeling approach provide a universal tool in predicting the load-displacement, shape of deformation, buckling wavelength, and the trend of failure in complex crash scenarios for the safety assessments of Lithium-ion batteries.

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