大型、高容量锂离子电池是设计高能量存储系统的关键途径。然而，此类高容量锂离子电池的设计面临着由电极尺寸调整引起的能量与功率不平衡挑战，以及安全隐患。本研究聚焦于一款20 Ah商用锂离子电池，建立了全尺寸多电池并联锂离子电池的三维电化学-热耦合模型。通过实验和高精度数值模拟方法，全面分析了不同电极厚度（20–200 μm）电池在0.5C至10C倍率范围内的充电-放电过程中关键电池性能的演变特征。结果表明，对于不同电极厚度的电池，在1-10C倍率放电期间，电解质相电极反应中不存在限制步骤。然而，在10C放电倍率下的固相锂离子传输过程中观察到传质限制。此时，厚电极电池的不可逆发热量激增，达到薄电极电池的两个数量级。此外，当电极厚度超过80 μm时，厚度每增加10 μm，库仑效率降低1%。从安全角度来看，厚电极（~200 μm）电池在高倍率、低温条件下表现出加速的锂离子沉积现象，在−20 °C环境中以10C倍率充电时，其发生时间比薄电极电池早200–500 s。这些发现为设计高性能、高安全性、高容量锂离子电池提供了理论基础。
随着能源转型和交通电气化的推进，锂离子电池作为核心支撑组件，在无人机、电动汽车、储能电站及航空航天等领域得到广泛应用。为适应应用场景的不断扩展，单体电池的容量和尺寸持续增加，以满足对能量、功率及经济性整合的需求。在固定能量存储空间的约束下，设计师通常通过增加电极厚度、提高活性物质密度及优化空间布局来最大化容量。然而，电极尺寸的调整不仅影响能量密度与功率密度的平衡，更直接关系到复杂工况下的安全边界。现有研究指出，过厚的电极会延长离子传输路径，导致充电极化加剧，进而降低充电速度和循环寿命，并可能引发局部过放、锂离子沉积（Lithium plating）等安全隐患。尽管已有研究探讨了电池几何尺寸对热性能的影响，但针对全电池层面，特别是在控制负正比（N/P ratio）条件下，深入量化电极厚度对宽倍率及低温工况下电化学-热耦合行为及析锂风险的研究仍显不足。为此，本研究旨在系统揭示电极厚度与电池性能及安全边界之间的内在联系，为大规格锂离子电池的优化设计提供理论依据。
研究人员采用了一款由A123 Systems制造的20 Ah商用软包锂离子电池作为实验样本，该电池正极材料为磷酸铁锂（LiFePO₄, LFP），负极材料为石墨，内部结构包含48个并联电池单元。研究主要运用了三维电化学-热耦合（Electrochemical-Thermal Coupled, ECT）建模方法与高精度数值模拟技术。研究人员构建了包含48层并联单元的全电池几何模型，并在不同电极厚度（20–200 μm）配置下，结合0.5C至10C的宽范围倍率及低温（−20 °C）工况进行实验验证与仿真分析，以探究电极厚度对电化学动力学、热行为及安全边界的影响。
在研究结果方面，研究人员建立了详细的电化学-热耦合模型，并对比了不同电极厚度电池的性能表现。
**不同电极厚度下的极化与传质特性分析**
通过模拟分析发现，在1-10C倍率放电过程中，不同厚度电池的电解质相电极反应均无限制步骤。然而，在10C高倍率下，固相锂离子传输出现明显的传质限制。随着电极厚度增加，浓差极化加剧，正极极化占主导，负极更易发生锂离子沉积。
**热行为与能量效率评估**
定量分析显示，在10C放电条件下，厚电极电池的不可逆产热量显著高于薄电极电池，激增两个数量级。此外，当电极厚度超过80 μm后，每增加10 μm厚度，库仑效率下降1%。这表明增加电极厚度虽能提升容量，但会显著牺牲能量效率并增加热管理难度。
**低温高倍率下的安全边界与析锂风险评估**
从安全性角度，研究发现厚电极（~200 μm）电池在高倍率、低温环境下表现出更高的析锂风险。具体而言，在−20 °C环境中以10C倍率充电时，厚电极电池的析锂起始时间比薄电极电池提前200–500秒。这一发现明确了电极厚度与极端工况下安全界限的耦合关系。
在讨论部分，研究人员指出，虽然增加电极厚度可提高能量密度，但其对功率密度和安全性的负面影响不可忽视。研究强调了在商业电池设计中，需权衡能量与功率密度，特别是在高倍率和低温应用中，应谨慎选择电极厚度以规避析锂风险。研究结论表明，通过优化电极厚度并结合先进的热管理策略，可以在保证高容量的同时提升电池的安全性和循环寿命。该研究不仅揭示了电极厚度对电化学-热行为的量化影响，还确立了不同工况下的安全设计边界，对于开发高性能、高安全的大规格锂离子电池具有重要的指导意义。该论文发表在《Journal of Environmental Chemical Engineering》。
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