基于18650商用钠离子电池的径向挤压试验与有限元模拟，系统分析了不同挤压速度和荷电状态对电池力学响应、电压演变及温度特性的影响。研究建立了均质化有限元模型，引入应力波理论阐释动态冲击下的失效机制，发现钠离子电池在峰值载荷、失效位移和热稳定性方面均优于传统锂离子电池，为高安全性储能系统设计提供了理论依据。
一、钠离子电池研究背景与技术现状
《2026-2031年中国钠离子电池行业发展趋势分析与未来投资研究报告》随着全球新能源汽车产业的高速扩张和储能需求的激增，传统锂离子电池面临资源约束和成本压力的双重挑战。钠元素作为与锂同主族的碱金属，具有全球分布广泛、提取工艺成熟、原材料成本低廉等显著优势，使得钠离子电池正成为规模化储能领域的重要技术路线。尽管钠离子电池在安全性和成本方面展现出巨大潜力，但其在机械滥用条件下的失效机理研究仍显不足，特别是在碰撞、挤压等极端工况下的安全性评估，已成为制约其大规模商业化应用的关键瓶颈。深入探究钠离子电池在动态载荷作用下的失效行为，对于明确其安全边界、优化结构设计具有重要的工程价值。
二、钠离子电池试验方法与样品制备
本研究选用国产18650型钠离子电池作为研究对象，所有样品健康状态均为100%。电池基本参数包括：额定容量1300mAh，标称电压3.1V，内阻小于20mΩ，最大充电电流1C，最大放电电流3C，单体重量30g。试验前，采用专业电池测试仪对样品进行三次完整的充放电循环，以消除初始容量差异并充分激活电极材料。根据试验需求，将电池分别调整至0%、20%、40%、60%和80%等不同荷电状态，并静置足够时间以确保电压平衡。
挤压试验在最大试验力为100kN的电子万能试验机上完成，试验力与变形测量精度均为±0.5%。为研究压缩速度的影响，针对0%荷电状态的电池，设置了2至15mm/min的七组压头位移速率。为探究荷电状态的影响，针对20%至80%荷电状态的电池，均采用2mm/min的较低速度进行试验，以避免高荷电状态电池在高速压缩下的热失控风险。每个工况均设置三个平行样本，并对结果进行平均处理以保证数据可靠性。
三、钠离子电池挤压速度对性能的影响机制
探究不同挤压速度下钠离子电池的机械响应、电压演变及温度特性，对于揭示其失效机制与安全边界至关重要。试验结果表明，随着挤压速度从2mm/min提升至15mm/min，钠离子电池的峰值载荷显著增加，增幅达18.9%，由35.157kN增至41.833kN，达到峰值载荷所需的位移也随之增大。这一数值已超过同规格锂离子电池的32kN，高出约9.8%。
在温度变化方面，尽管挤压速度提高，但0%荷电状态的钠离子电池温升增幅相对较小，表面温度显著低于锂离子电池在同等条件下的表现。在径向挤压头作用下，电池结构发生渐进变形，当变形量超过承载极限时，电解液泄漏引发内部短路，电压急剧下降。研究发现，随着挤压速度提高，钠离子电池失效位移亦相应增大，从低速下的6.479mm增至6.998mm，且峰值载荷时刻与失效点高度吻合，表明峰值载荷点可有效表征钠离子电池的失效临界点。
四、钠离子电池荷电状态对安全性能的影响
荷电状态是表征钠离子电池存储能量水平的关键参数，对机械滥用条件下的安全风险等级具有决定性影响。通过开展不同荷电状态下钠离子电池的径向挤压试验，重点分析了低速条件下荷电状态对峰值载荷、失效位移、电压跌落行为等关键安全指标的影响规律。
试验结果显示，与0%荷电状态相比，存在电荷的钠离子电池在挤压后峰值载荷均出现小幅提升，但整体增幅不大，这可能与较低的挤压速度有关。不同荷电状态下电压开始骤降的时刻与峰值载荷出现的时刻基本一致，进一步验证了将峰值载荷点定义为失效点的合理性。值得注意的是，高荷电状态的钠离子电池往往更早达到失效点。在温度变化方面，尽管挤压速度很低，含电荷电池在发生内短路时均表现出明显的温升，且荷电状态越高，电池失效时记录的温度也越高。综合对比试验结果可知，在低速挤压条件下，荷电状态是决定钠离子电池温升幅度的关键因素。
五、钠离子电池载荷变形四阶段特征分析
不同挤压速度下的载荷-位移曲线呈现出高度相似的变形趋势，可将其变形过程定义为四个典型阶段，以深入揭示钠离子电池渐进失效的普适性规律。
第一阶段为弹性变形期，此时钠离子电池外壳与电芯间存在初始间隙，载荷主要由壳体承担，以一定的平均速率近似线性增长，反映纯弹性变形特征。第二阶段为卷芯密实期，壳体变形饱和后紧贴电芯，载荷传递至内部卷绕结构，由于卷芯之间存在空隙，此阶段以层间空隙的渐进密实化为主导，载荷曲线呈现准平台特征，能量吸收模式转为塑性耗散。第三阶段为协同承载期，卷芯完成密实化后进入协同承载状态，壳体与电芯共同抵抗变形，载荷以较快的速率陡升并达到峰值，证实电芯结构成为核心承载单元。第四阶段为结构失稳期，载荷骤降，电压归零，电解液泄漏，标志着内短路触发与功能失效。
六、钠离子电池数值模拟与应力波理论应用
为探究冲击载荷下钠离子电池的破坏机制，研究采用均质化建模方法，将内部卷芯简化为均质材料，以有效模拟电池的力学响应与失效行为。根据试验数据推导，钠离子电池内芯的应力-应变关系可表示为幂函数形式，以此作为有限元模拟的本构曲线。
数值模拟采用非线性有限元软件建立钠离子电池、挤压板及支撑板的挤压模型。电池外壳采用分段线性塑性材料模型，卷芯选用可压溃泡沫材料模型，挤压板与支撑板均定义为刚性体。模拟设定挤压速度为1m/s，该速度下结构的动态响应效应微弱，可视为准静态加载过程。模型验证结果显示，试验与模拟结果的峰值载荷相对误差仅3.7%，且整体载荷增长趋势高度一致，验证了均质化模型在钠离子电池宏观力学响应预测中的可靠性。
基于上述模型，进一步研究了冲击载荷下钠离子电池的动态响应。结果表明，在低速冲击条件下，卷芯在冲击端与固定端的变形形态表现出高度相似性;而在较高冲击速度下，卷芯冲击端明显先于固定端发生变形。冲击载荷的本质是施加瞬时的、高应变率的动态力，其能量以压缩应力波的形式从冲击点向远端传播，当传播至电池底部自由表面时反射并转换为拉伸波向上传播，在特定区域形成显著的应力集中。
七、钠离子电池动态冲击下的失效模式演变
不同冲击速度下钠离子电池的力学响应呈现出显著差异。随着冲击速度增大，达到失效所需的位移显著减小，且当速度超过20m/s时，失效位移的减小幅度急剧增大。在超过30m/s的超高速冲击下，失效位移发生突变，压缩位移甚至不足1mm即发生失效。失效点与载荷-位移曲线的关系也随冲击速度变化，在较低速度下失效点通常对应曲线峰值点，而在较高速度下这种对应关系变得复杂，高速冲击下载荷曲线在上升段与下降段之间普遍存在明显的平台区。
钠离子电池内部裂纹萌生位置受冲击速度影响显著，表现出明显的速度依赖性。在惯性效应较小的低冲击速度下，变形相对均匀，裂纹首先萌生于卷芯中部;冲击速度增至20m/s时，裂纹出现于卷芯底部;速度达到30m/s时，裂纹转移至靠近冲击端的中部区域;而在35m/s的高速冲击下，裂纹则萌生于靠近冲击端的两侧区域。这种行为转变主要由应力波的传播、反射与叠加效应控制。
八、全文总结
本研究通过试验与数值模拟相结合的方法，系统研究了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，建立了可靠的均质化有限元模型，主要结论如下：
在准静态挤压条件下，钠离子电池载荷-位移曲线呈现典型的四阶段特征，峰值载荷点可有效表征失效临界点，且失效点对应的位移随挤压速度增加而增大。在低速工况下，荷电状态是主导温升变化的关键因素，高荷电状态会显著加剧温升并提前失效点。
在动态冲击过程中，失效点可能出现在载荷上升或下降的任意阶段，随着冲击速度提高，失效位移逐渐减小，当冲击速度超过20m/s时呈现急剧下降趋势。钠离子电池内部裂纹萌生位置表现出显著的速度依赖性，从低速下的中部，移至中等速度的底部，再转移至高速下的冲击端区域，这种行为主要由应力波的传播与反射叠加控制。
