锂离子电池是新能源汽车中最成熟、商业应用最广的化学电源,但其安全问题非常突出。锂离子电池的安全问题分为本征安全、失效安全和滥用安全。其中,滥用安全是用户在使用过程中最可能碰到的情况。滥用包括热滥用、机械滥用和电滥用,其中外部加热、机械刺破、过充电三种滥用情况,最容易引发起火或爆炸,也最难克服。针对三种典型滥用情况,国家标准规定了热箱、针刺和过充安全性测试项目。本论文针对三种典型滥用情况进行热仿真和实验研究,并提出有效的改进方法。参照国家标准规定的实验条件,对锂离子电池的单体电芯进行1 C100%DOD充放电循环测试和130℃-160℃热箱测试,对电芯和模组进行针刺和过充电测试,分析电化学反应热、副反应热等热生成和热扩散过程,并在电化学-热耦合模型基础上进行改进,建立热仿真模型。通过有限元仿真软件进行热仿真,对比仿真和实测数据,验证仿真模型的准确性;分析仿真和测试结果并找出导致热失控的可能原因,有针对性的提出安全性改进方法。通过充放电测试、循环测试、安全测试、XRD表征手段验证改进方法的有效性。在热箱测试中发现外部高温加速SEI分解、负极与电解液作用等副反应过程,其反应生热导致电芯内部温度超过热箱控制温度,使隔膜软化,引发内短路。内短路的焦耳热反馈于上述副反应过程,进一步加速热失控。完善了热箱仿真模型,仿真结果与实测结果高度吻合,其温度误差不超过2.5℃。仿真结果证明,热箱温度达到160℃以上时,内短路的热生成功率超过总热生成功率的63.92%,是导致热失控的最主要因素。提出了耐高温的聚酰亚胺复合涂层预防内短路发生,并制作5 Ah电芯,在160℃热箱试验中未发生热失控。研究发现,锂离子电池单体针刺短路形式有多种,针刺开始时,短路集中出现在针刺位置,迅速演变为整颗电芯短路并发生热失控。电芯热失控热源来自针刺位置短路电能的释放和放热副反应的发生,此后电芯其他位置会发生隔膜收缩引发的更大面积短路。模组热扩散速率与电芯的温度梯度和壳体的导热系数相关,电芯仿真温度和测试温度的曲线基本一致。仿真表明,在针刺测试末期,电解液的汽化和燃烧贡献了主要热生成功率。通过以下三种改进手段对电池安全性改进,分别是采用碳酸氢钠等材料隔绝氧气、防爆阀驱离易燃的溶剂蒸汽热源、使用硅胶等阻燃、阻热材料防止热蔓延。测试结果表明,这些方法制作的电池在针刺试验时,不起火、不爆炸。对动力锂离子电池单体及模组的过充热失控扩散机理进行了分析和研究发现:电芯在充电初期,生热主要来源于正常充放电过程的焦耳热和极化热。以Li Ni1/3Co1/3Mn1/3O2为正极材料的软包电芯在电压超过5.1 V时,其生热来源于多种副反应和内短路因素。基于电芯等效直流内阻法进行热量计算,建立了仿真模型,仿真与实测结果误差较小。电芯的过充电测试和仿真证实,电池电压超过5.1 V后,负极生成的锂枝晶等会引发多处短路,贡献主要的生热功率。采用硬碳负极提高负极储锂空间,抑制锂枝晶的生成,从而提升了电芯的耐过充性能。模组的过充电测试和仿真发现,如不加以抑制,过充电后的电芯电压和温度很快达到正极析氧条件,加速热失控进程。将Li Ni1/3Co1/3Mn1/3O2与具有管状结构高活性锰酸锂进行复合,可提升正极析氧过电位,抑制过充电的热失控发生;同时,还外加多级过充电保护装置等方法改进电池耐过的充安全性。