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锂离子电池因其无记忆性、高能量/功率密度、低自放电率、长寿命等优点和卓越的电化学性能被广泛用于3C(computer,communications和consumer electronics)产品、电动汽车(Electrical Vehicles，EVs;或Hybrid Electrical Vehicles，HEVs)和储能电站等场合。电池材料的更新和制造技术的发展在提升电池性能同时又为电池扩展了新的需求，例如手机等电子产品的快充技术，电动汽车动力系统大功率输出和快充技术，储能电站的调峰调频等，这些场合无一不要求锂离子电池具备安全长效的大电流充/放电性能。
锂离子电池大电流充放电运行时，电池内部容易积聚热量，如果电池散热量有限时必然造成电池过热。电池的过热度达到一定程度（一般在80-90℃）就会触发电池材料的副反应（放热反应），持续升温的电池将会连续触发更多的材料副反应，最终导致电池发生热失控，严重时酿成火灾、爆炸等安全事故。由于现有化学电池多相、多物理输运过程的复杂性，电池的大电流输出/输入，会影响电池的电性能、热行为和电池内部的电化学过程。因此，研究锂离子电池大电流充放电时的电-热行为和安全性，对锂离子电池的安全、持久和高效运行具有重要意义。
本文针对圆柱形锂离子电池，建立了精细描述电池内部电化学过程的电化学-热(Electrochemical-Thermal，ECT)耦合模型，同时建立了量化和评价电池材料副反应程度的热滥用模型，通过数值仿真和实验测试，研究了锂离子大电流充放电过程的电热行为;模拟了锂离子电池由正常的大电流充放电过程到引发电池过热，再到触发电池材料副反应，直至最后彻底发生电池热失控这一完整过程;本文还研究了锂离子电池大电流放电故障-外部短路过程的电池电-热行为，提出两种实时估算电池中心温度的方法，并对其可靠性进行了验证。
本文的主要研究内容和结论如下:
1.建立了锂离子电池的ECT模型，对1.5Ah的三元镍钴锰(NCM)电池的大电流充放电过程(1-8C)进行了仿真模拟，并通过实验测试验证了模型的可靠性;随后，将ECT模型和热滥用模型结合，研究了电池在更高充电电流(11-15C)和放电电流(12-18C)下的电-热行为，发现电池以大电流放电时内部产生的热量足以让其在一定条件下引发热失控。对1.5Ah的NCM电池而言，绝热条件下放电倍率高于13C或15C放电时等效对流换热系数小于0.05W·m-2·K-1，放电过程结束后电池均会发生热失控。而等效对流换热系数大于2.2W·m-2·K-1时，电池的高倍率(15C)放电过程可安全进行。特别对采用12C快速充电策略时因截止电压控制失效造成的电池热失控过程进行了仿真分析，值得指出的是，与大电流放电相比，快充失效使电池引发热失控的时间更短，危险更大。
2.对锂离子电池大电流放电过程的电化学行为进行了研究，利用判据对大电流放电过程的电池性能限制做了分析，发现所研究电池(1.5Ah NCM)的15C放电过程并未发生明显的性能限制，而电极厚度是造成这一结果的主要原因。同时，对1.5Ah NCM电池12C充电过程关键参数演化进行了模拟。为了对比不同放电电流时电池电化学性能的差异和各自演化特点，对单层钴酸锂电池14C和1C放电过程进行了模拟。发现大电流(14C)放电过程电解液中锂离子浓度、输运电流密度、过电势、电解质电势和固液面锂离子浓度波动较大，在电池内部形成了明显的浓度梯度，密度差和电势差，相比之下，1C放电过程中除输运电流密度和过电势波动较大外，整个放电过程的其他参数的变化不大。
3。实验研究了锂离子电池大电流放电故障（外部短路）过程中的电-热行为，对2.75Ah镍钴铝(NCA)电池在不同影响因素下的响应做了分析，这些因素有外部电阻、荷电状态和环境温度;在此基础上计算了故障过程电池内部的热生成情况，发现生成热中不可逆热最大，其次是可逆热，最小的是材料的滥用反应热，且不可逆热的数值远大于后两者。最后，为准确评估的电池的安全状态，基于电池生热量和实验测量数据，采用数值仿真和解析求解两种方法得到了电池内部实时中心温度的变化，发现锂离子电池发生外部短路故障时，电池外表面和电池核心处的最大温差可达约30℃;并由此中心温度（约120℃）判断，电池内部温度过高导致了固体电解质界面(Solid Electrolyte Interface，SEI)膜的破坏，从而引起了电池外部电路故障的中止。
锂离子电池大电流充放电运行时，电池内部容易积聚热量，如果电池散热量有限时必然造成电池过热。电池的过热度达到一定程度（一般在80-90℃）就会触发电池材料的副反应（放热反应），持续升温的电池将会连续触发更多的材料副反应，最终导致电池发生热失控，严重时酿成火灾、爆炸等安全事故。由于现有化学电池多相、多物理输运过程的复杂性，电池的大电流输出/输入，会影响电池的电性能、热行为和电池内部的电化学过程。因此，研究锂离子电池大电流充放电时的电-热行为和安全性，对锂离子电池的安全、持久和高效运行具有重要意义。
本文针对圆柱形锂离子电池，建立了精细描述电池内部电化学过程的电化学-热(Electrochemical-Thermal，ECT)耦合模型，同时建立了量化和评价电池材料副反应程度的热滥用模型，通过数值仿真和实验测试，研究了锂离子大电流充放电过程的电热行为;模拟了锂离子电池由正常的大电流充放电过程到引发电池过热，再到触发电池材料副反应，直至最后彻底发生电池热失控这一完整过程;本文还研究了锂离子电池大电流放电故障-外部短路过程的电池电-热行为，提出两种实时估算电池中心温度的方法，并对其可靠性进行了验证。
本文的主要研究内容和结论如下:
1.建立了锂离子电池的ECT模型，对1.5Ah的三元镍钴锰(NCM)电池的大电流充放电过程(1-8C)进行了仿真模拟，并通过实验测试验证了模型的可靠性;随后，将ECT模型和热滥用模型结合，研究了电池在更高充电电流(11-15C)和放电电流(12-18C)下的电-热行为，发现电池以大电流放电时内部产生的热量足以让其在一定条件下引发热失控。对1.5Ah的NCM电池而言，绝热条件下放电倍率高于13C或15C放电时等效对流换热系数小于0.05W·m-2·K-1，放电过程结束后电池均会发生热失控。而等效对流换热系数大于2.2W·m-2·K-1时，电池的高倍率(15C)放电过程可安全进行。特别对采用12C快速充电策略时因截止电压控制失效造成的电池热失控过程进行了仿真分析，值得指出的是，与大电流放电相比，快充失效使电池引发热失控的时间更短，危险更大。
2.对锂离子电池大电流放电过程的电化学行为进行了研究，利用判据对大电流放电过程的电池性能限制做了分析，发现所研究电池(1.5Ah NCM)的15C放电过程并未发生明显的性能限制，而电极厚度是造成这一结果的主要原因。同时，对1.5Ah NCM电池12C充电过程关键参数演化进行了模拟。为了对比不同放电电流时电池电化学性能的差异和各自演化特点，对单层钴酸锂电池14C和1C放电过程进行了模拟。发现大电流(14C)放电过程电解液中锂离子浓度、输运电流密度、过电势、电解质电势和固液面锂离子浓度波动较大，在电池内部形成了明显的浓度梯度，密度差和电势差，相比之下，1C放电过程中除输运电流密度和过电势波动较大外，整个放电过程的其他参数的变化不大。
3。实验研究了锂离子电池大电流放电故障（外部短路）过程中的电-热行为，对2.75Ah镍钴铝(NCA)电池在不同影响因素下的响应做了分析，这些因素有外部电阻、荷电状态和环境温度;在此基础上计算了故障过程电池内部的热生成情况，发现生成热中不可逆热最大，其次是可逆热，最小的是材料的滥用反应热，且不可逆热的数值远大于后两者。最后，为准确评估的电池的安全状态，基于电池生热量和实验测量数据，采用数值仿真和解析求解两种方法得到了电池内部实时中心温度的变化，发现锂离子电池发生外部短路故障时，电池外表面和电池核心处的最大温差可达约30℃;并由此中心温度（约120℃）判断，电池内部温度过高导致了固体电解质界面(Solid Electrolyte Interface，SEI)膜的破坏，从而引起了电池外部电路故障的中止。