锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命等优点，在电动汽车和储能系统中得到广泛应用。然而，电池在热滥用条件下可能发生热失控（Thermal Runaway, TR），随着电动汽车的快速普及（2023年全球销量超1400万辆），电池安全性成为行业发展的关键瓶颈，而传统理论将TR简单归因于内部短路（ISC)或正极氧释放的认知存在明显局限。

  现有研究难以精确解析电池内部多组分反应的耦合机制，更缺乏有效分离各热源贡献的实验方法，导致安全设计缺乏针对性指导。本研究通过创新性地结合液氮（Liquid-nitrogen LN）骤冷技术和部分电池实验，首次实现了对TR过程的“冻结”观测和各组分反应的独立分析。

  研究突破了“ISC必然导致TR”的传统认知，发现负极-电解液放热反应才是TR的真正触发点，而内短路因电池阻抗剧增反而贡献有限。这一发现不仅修正了理论认知偏差，更为高安全电池的材料设计和系统防护提供了新思路，对推动行业安全发展具有重要价值。

  通过实验和建模方法研究了热滥用条件下ISC和TR之间的关系。该研究采用了一套多尺度、多方法协同的研究体系，系统探究了热滥用条件下锂离子电池ISC与TR的关系。

  首先通过扩展体积加速量热仪（EV-ARC, Extended Volume Accelerating Rate Calorimetry）进行完整电池的TR测试，采用"加热-等待-寻道"模式（步长5°C，灵敏度0.01°C/min）记录温度/电压曲线，并结合LN冻结技术捕获ISC瞬间状态。

  其次，通过拆解分析和材料表征技术（SEM-EDS、EIS）研究电极/隔膜的微观形貌和成分变化。为区分不同热源贡献，特别设计了三类部分电池（Ca-Ele、An-Ele、Ca-An），通过移除特定组分来分离阴极-电解液、阳极-电解液和阴极-阳极反应的热行为；最后通过3D电化学-热耦合模型模拟不同阻抗条件下的ISC热效应，验证实验发现。

  研究涉及以下四类电池，覆盖从实际应用到模型验证的多层次需求，本研究以标称容量为 24Ah的商用软包锂离子电池为核心研究对象型号：24 Ah NCM111/石墨电池、正极：Li(Ni₁/₃Co₁/₃Mn₁/₃)O₂。负极：石墨。隔膜：以及带有陶瓷涂层的聚乙烯（PE）基隔膜。电解液：由碳酸乙烯酯（EC）/碳酸乙酯（EMC）/碳酸二甲酯（DMC）中的1.0 M LiPF6组成（体积为1：1：1）用来进行完整电池TR行为测试及LN冻结拆解分析；

  设置的对比试验采用了21 Ah裸PE隔膜电池和3.3 Ah高沸点电解液电池作为对照，验证关键材料的影响；此外还通过拆解LN冷却电池，用收获的阴极和负极材料与锂金属对电极配对组装NCM/Li和Gr/Li纽扣电池，以研究ISC后电极电化学性能的变化。

  还制造了以NCM为工作电极，以石墨为对电极的纽扣电池，表示为NCM/Gr；最后创新性地设计三类部分电池:Ca-Ele（阴极+电解液）：仅包含阴极材料和电解液，用于研究阴极与电解液的相互作用；An-Ele（阳极+电解液）：仅包含阳极材料和电解液，用于研究阳极与电解液的相互作用；Ca-An（阴极+阳极+隔膜）：包含阴极、阳极和隔膜（无电解液），用于研究阴极与阳极的直接氧化还原反应。

  在对24 Ah商用软包锂离子电池进行ARC测试时，观察到ISC发生在TR前 300秒，但对电池温度速率曲线没有明显贡献。由于隔膜的严重热收缩，在TISC冻结电池后，可以在电极边缘找到ISC的证据。

  然而，对正负极材料的电化学测试结果表明，大部分能量仍存储在电池内部，表明只有少量能量通过ISC释放。此外，由于电解液耗尽、电极孔隙率降低和隔膜关闭，电池在ISC之前经历了电阻急剧增加（约1000倍）。增加的电池电阻将短路电流限制在很小的值。因此，ISC产生的焦耳热很小，并且不会导致电池TR。

  测试了具有不同电池组件混合物的部分电池，以表征TR的根本原因。An-Ele和Ca-An部分电池均进入TR，表明阳极-电解质和阴极阳极热力学体系是TR过程中的主要热源。

  此外，阳极和电解质之间的放热反应被确定为电池TR的触发因素，阴极和阳极之间的氧化还原反应在较高温度下开始，有助于总热量产生。研究结果与传统观点认为阴极或ISC释放的氧气是电池TR的关键原因不同，为电池TR的触发机制提供了新的发现。

  基于三维电化学-热耦合ISC模型，探讨了ISC对不同设计电池TR的影响。又对不同锂离子电池进行了两次TR测试结果，对仿真结果进行了验证。当ISC发生时，ISC对电池TR的贡献受对电池电阻的显著影响。较大的电池电阻有助于减少ISC产生的焦耳热并提高电池对ISC的耐受性。