Engineering problems, such as fire and explosion caused by mechanical damage, have restricted the further development of lithium-ion batteries (LIBs). The paper aims to present an effective method for studying the impact responses of cylindrical LIBs under localized impact loadings. An impact model in which the cell is simplified to a beam is developed considering the interaction between bending and stretching. The membrane factor (fn) of the beam with a circular cross-section is introduced, and then the motion control equations for the cell with large deformation are derived. The accuracy of the theoretical method is verified based on the results from the mass block impact experiment and finite element simulation. A method for cell failure detection is established based on the force-displacement-voltage response from the impact experiment. It is shown that higher impact velocities and smaller punch widths increase cell deformation. Moreover, a larger punch mass results in greater displacement when the impact energy remains unchanged, and the strengthening tendency increases with the punch width. The research will provide theoretical guidance for the safety assessment and dynamic optimization design of LIBs.

To understand the crashworthiness safety of lithium-ion battery (LIB) comprehensively, acoustic emission (AE) testing technology is introduced to explore the mechanical response and failure mechanism. In this paper, the compression process and failure behavior of 18650 LIBs under plane compression, local indentation and three-point bending are experimentally investigated. The effects of indenter diameter, state of charge (SOC) and capacity of the battery on the force-voltage-temperature responses are discussed in detail. The relation between the failure behavior and acoustic response of LIB is studied in combination with AE detection technique. The results show that the deformation of the battery can be divided into three stages before the failure, including the stress on the shell, compression on the internal gap and electrolyte, and stress on the whole. The failure inside the battery is caused by fold, shear fracture, local buckling and tensile break under different loading forms. The smaller the diameter of the indenter is, the lower bearing capacity at the point of failure is. High-SOC batteries experience higher forces and displacements at the failure point. High-capacity batteries have poor bearing capacity and are more prone to thermal runaway. AE signal can be detected at special points during the compression. Combined with the acoustic response of the battery, the whole deformation process is divided into five stages. The researches will provide a guidance for the failure detection and safety evaluation of LIBs.