全球向可持续能源未来的转型在很大程度上依赖于高密度储能技术，而锂离子电池（LIB）已成为电动汽车和电网规模应用的关键技术[1]，[2]。虽然LIB的高能量密度和不断下降的成本加速了电气化的进程，但确保其安全性仍然是一个重大挑战[3]，[4]。在各种滥用场景中，过充是引发热失控（TR）的主要因素，进而引发一系列危险连锁反应[5]，[6]。随着阳极插层反应的饱和，诸如电解质分解和固体电解质界面（SEI）破坏等副反应会产生大量气体和热量[7]，[8]，[9]。这些气体的积累迅速将电池从电化学装置转变为潜在的压力容器[10]，产生的膨胀力会导致外壳变形。在电池组中，这些力会对相邻的LIB施加严重的机械挤压，最终破坏外壳的完整性，导致外壳破裂并释放易燃物质，可能带来灾难性后果[11]。
通过增加外壳厚度或调整内部自由体积来降低结构风险会引入与能量密度和制造成本之间的权衡[12]，[13]。然而，目前由于对动态失效过程理解不足，优化这些参数的努力受到了限制。因此，了解膨胀力的演变及其后续的外壳失效机制对于避免不必要的设计修改和确保固有安全性至关重要[14]。
为了量化关键的机械载荷，现有研究主要依赖于压力监测，使用侵入式的内部压力传感器或非侵入式的外部力传感器。利用内部压力传感器的研究为外壳变形和断裂提供了宝贵的见解[15]，[16]。这种方法本质上是侵入式的、成本高昂的，并且由于传感器密封的挑战而具有较差的可重复性[17]。相反，监测膨胀力[9]，[18]提供了一种非破坏性的、可扩展的替代方法，对内部压力变化非常敏感。然而，这两种实验方法都像“黑箱”一样，无法理解外壳的结构失效机制。这些方法仅限于记录宏观边界信号，无法空间分辨内部应力状态。因此，开发一个机械模型对于填补这些实验空白并提供动态变形和失效演变的理论解释至关重要，从而指导电池外壳的结构优化。
电池外壳在TR过程中的结构失效涉及一个复杂的多物理场级联过程，包括电化学分解、气体生成、热量积累以及随后的固体机械变形[19]。要捕捉这一过程，需要弥合微观反应动力学和宏观结构力学之间的差距。这项任务需要求解耦合的化学和力学控制方程。尽管电化学-热-气体模型旨在预测内部压力，但它们往往简化了机械响应[1]。例如，传统的排气模型[20]，[21]通常将电池外壳视为具有恒定体积的零维刚性容器，仅关注气体积累动力学。一些模型通过使用假设线性弹性响应的集总弹簧边界来简化外壳膨胀[22]。虽然这些方法能够有效估计排气前的平均内部压力，但它们无法解决外壳的复杂弹塑性变形和局部应力集中问题。最近的研究扩展了这些模型以分析膨胀力，或利用测量的压力数据进行有限元分析，但它们通常依赖侵入式的压力测量作为输入，并将机械响应、气体排气和热动力学视为独立的子问题[15]，[16]。因此，现有的基于机制的模型主要强调电热动力学或排气行为，缺乏预测动态外壳应力和失效所需的机械自由度[19]。
至关重要的是，外壳的机械失效并非仅由压力驱动；而是由耦合的热力学过程中的动态相互作用引起的。当LIB接近TR时，外壳会因气体加压而经历逐渐增加的剪切应力，同时承受接近铝熔点的急剧温度升高。这种现象导致材料内部发生应变硬化（由于变形而强化）和热软化（由于热量而减弱）之间的竞争[23]。现有研究未能量化这两种相反机制的各自贡献。如果不剖析这种耦合效应，就无法准确预测外壳的结构不稳定模式，也无法制定基于物理的安全导向设计指南。
在这项研究中，开发了一个完全耦合的电-热-力学模型，用于模拟棱柱形LiFePO4/石墨LIB外壳的变形和失效。该模型通过在不同充电速率下进行的膨胀力实验进行了验证，弥合了内部电化学动力学和宏观结构响应之间的差距。明确了应变硬化和热软化之间的动态竞争机制，阐明了在机械约束下驱动结构不稳定性的机制。本研究利用这一预测工具评估不同的几何配置，提供了一种基于物理的策略，以优化外壳设计，从而提高其固有安全性。
