随着锂离子电池的能量密度和功率密度不断提高,大型电池组的安全性问题突出,由锂离子电池热失控造成的火灾事故经常发生。锂离子电池热失控是一种电池本体温度不可逆快速升高的现象,由内短路和电池内部活性材料相继发生热分解反应的累积热量造成,单体电池热失控造成的影响突破自身边界扩展到周边电池形成热蔓延。影响大型电池系统安全性的因素众多且相互关联,目前科学界和产业界对锂离子电池的安全研究已经非常深入和广泛,如单体电池热失控机理、电池材料热稳定性等。对于彻底解决系统安全性问题必须从电池材料体系、电池单体、电池模组及电池系统等多个维度进行关联分析,系统性解决锂离子电池安全性问题。从电池单体层面开始,本文通过对圆柱型商用锂离子电池进行结构解析和热失控行为分析,得到典型的热失控表现形态和能量分布,进而建立圆柱电池三维仿真模型。在电池模组层面,对热蔓延机制从单体电池本身的影响和电池模组结构参数两个方面综合分析,识别热蔓延过程中的主要热传导路径,再通过圆柱电池模组的结构设计,阻隔不合理的传热路径,强化局部导热和热阻匹配,从而阻止单体电池热失控在电池模组内部的热蔓延。为验证设计效果,制作了差异化导热和低密度填充两大类标准电池模组样品进行热蔓延测试。在电池系统层级,采用主动液冷方案,对系统热安全性设计进行仿真分析和台架测试数据对比。研究结果表明,单体电池热失控后外部形态表现和能量分布对模组热蔓延有重要影响。同规格单体电池热失控时间最大存在100s左右的时间偏差,模组自身的结构参数如电池间距、端部排气等也是影响模组热蔓延的重要因素,在端面间隙控制在5 mm时,能避免热蔓延发生。采用石墨复合板嵌入模组实现内部差异化导热和低密度有机硅氧烷填充实现热能均匀分布,介质导热率在0.2-0.3 W/m.K时能够显著抑制模组热蔓延。主动液冷系统仿真和测试结果一致表明,电池系统最高温升和全域温度一致性均满足大倍率放电工作要求,在冷却液流量达到20 l/min时,能够有效阻止系统热蔓延发生。本研究提供了一个解决大型锂离子电池系统安全性的多层级整体性方法,突破了以单一要素为中心进行安全性研究的局限性。为大型电池系统的单体电池选型、电池模组的安全设计验证及热管理匹配提供了理论依据和数据支撑,极大提高了锂离子电池系统的安全性。