大电流充放电、电池管理系统故障、内阻的不一致性等容易引起锂离子电池发生过充电或过放电,轻则导致电池容量下降或电池故障,严重的将引发热失控。在实际应用中,单电池常常处于通风受限的环境,因此,开展锂离子电池在极端通风条件下的过充电和过放电研究不仅可以明确电池过充电、过放电过程中的热行为表现,还可以深化对锂离子电池发生过充电和过放电热失控(失效)根源的认识,掌握诱发热失控(失效)的主要原因。通过定量确定过充电热失控的临界条件,并建立半失效状态的预测方法,为实现锂离子电池的产业化应用提供理论依据和技术支撑。关于电池过充电热失控机制,本文从三个方面开展研究。首先从充电电压和电流角度,采用电池循环仪与加速度量热仪(ARC)联用的方法,研究了通风条件、过充电方式和电流倍率对商用LiCoO2+Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2/石墨+SiOx电池过充电热失控行为的影响。分析表明,通过恒流-恒压充满电后恒流过充的危险性大于直接恒流过充。副反应热在0.1C、0.2C、0.5C、1C和2C过充实验中为热失控分别贡献了 82%、84%、80%、60%和40%的能量。在接近热失控时,电池电压会出现一个拐点。为了防止电池热失控的发生,在电池达到拐点电压时,应在2分钟内采取有效的措施来冷却电池。该拐点电压随着电流倍率的增加而线性增加。从电池化学反应的产物来探索过充热失控的化学机理。通过扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析得到 LiCoO2+Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2/石墨+SiOx电池正极材料的分解产物可溶于SiOx。从负极上的某些残余区域的层状石墨结构可以推测,负极锂沉积是由于正负电极间距发生变化,并不是因为负极容量的饱和。自制Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2/石墨纽扣电池X射线衍射(XRD)测试表明过充后正极材料晶格参数降低并且伴有Ni02产生。在化学反应的基础上揭示了电池过充电过程中内阻演化与热失控的关系,得到了适用于任何小型电池的半失效状态预测方法。在绝热条件下采用伏安特性法和间歇过充法均得到软包电池电阻随着荷电状态(SOC)的增加先下降后上升的规律,拐点为150%SOC。进一步采用交流阻抗法加以验证和解释,发现该拐点的出现是由于固体电解质界面膜(SEI膜)增厚,表现在阻抗谱中的高频和中低频的半圆分离,电池进入半失效状态。因此,在绝热条件下,一系列伏安法实验或一组间歇过充电实验(≤1C)可以有效获得电池的半失效状态。该方法得到了 LiCoO2 + Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2/石墨+SiOx电池的验证。总内阻增加率为0.4C Ωh-1可作为阻止热失控的临界内阻判据。在电池过放电研究方面,本文研究揭示了在绝热条件下电池过放电的热行为和失效机理。结果表明,过放电过程中负极温度始终高于正极。当内短路出现时,热量在电池卷绕结构中积聚,导致电池表面温度急剧升高,电流越大,短路放热量越高。综合ARC测试与容量增量分析,表明0.5 V时观测到的放热峰是由于铜集流体的溶解。过放电后电池的可恢复容量与SEI膜和隔膜的状态有关。C80热分析实验表明,在绝热条件下电池经0.2 C过放电至0 V时,负极SEI膜分解,再循环一次后,新的SEI膜产生但稳定性下降,开始分解温度下降至55.1℃。XRD的结果表明,在过放电期间,正极活性材料的晶体结构不变而负极的晶体结构在一定程度上受到损害。