随着习近平总书记“碳达峰、碳中和”目标的提出,锂离子电池作为一种高效新型能源的储能载体备受青睐。锂离子电池的充放电是一个耦合电化学、力、热等多物理场的复杂过程,传统的实验方法难以获取电池内部从微观到宏观的多场耦合特性和机理阐释。本文以数值模拟手段为主,辅以实验表征和验证,针对锂离子电池内部电化学-力-热耦合关系复杂和机理不清等问题,从模型建立、机理分析和模型应用三个方面展开研究。首先从微观至宏观层面建立放电过程中的两场耦合模型,厘清电化学-力-热特性的相互关系;而后实现三场耦合并着重探讨充放电过程中电化学-力-热行为对比,最终构筑锂离子电池模型应用场景,基于模型提出提升锂离子电池安全的设计方法。具体研究如下:（1）通过构建电极颗粒尺度（particlelevel）的电化学-力模型,揭示电池内部扩散-诱导应力和锂浓度之间的关系。发现锂脱嵌的“就近原则”规律—距离隔膜较近正负极颗粒优先发生锂的嵌入和脱出。而后基于模型厘清电化学及力学特性关系,并揭示石墨颗粒脱锂过程中扩散-诱导应力形成机制。脱锂过程中颗粒中心展现出径向压应力,而表面则为切向拉应力,颗粒接触部位的应力最大。（2）基于建立的电极尺度（electrodelevel）下三维分层电化学-热耦合模型,阐明电流密度、电势梯度、传质过程与温度梯度的对应关系。发现极耳与极片交界部位电流密度最高且电流密度梯度最大,这也因此导致了该部位较大的电势梯度、固相锂浓度梯度和液相锂离子浓度梯度,以及造成的温度分布不均匀。（3）通过构建电芯尺度（cell level）的三维力-热模型,研究分析温差诱导下电池沿不同几何方向的热应力和膨胀行为,揭示并量化热应力和膨胀行为与电池放电深度及倍率的关系。计算电池沿不同几何方向的von Mises热应力、应变及位移变形,发现电池沿厚度方向在力学行为上更容易膨胀,电池最大位移出现在放电结束时的厚度方向,38Ah方形电池1.0C放电最大位移为1.09μm,仅为电池一半厚度的0.008%。（4）实现多尺度和多维度的电化学-力-热三场耦合模型的构建,系统性地对比充放电过程中电池内部电化学过程、温度变化、扩散-诱导应力和热应力的产生。发现受扩散-诱导应力驱动,颗粒最容易发生破裂的阶段处在恒流充电结束时;受热应力驱动,电芯最容易发生破坏的时刻与充放电倍率相关。进一步地,对比充放电过程中电池温度的变化,揭示充放电过程中产热区别及机理,量化各部分热源的产热贡献,发现充电过程中负极极化热占主导地位而放电过程中正极极化热占主导地位。最后系统性地对比扩散-诱导应力与热应力,发现热应力数值比扩散-诱导应力小了几个数量级,5 Ah圆柱形电池在1.5 C倍率下最大热应力为131.7 kPa而最大扩散-诱导应力为30 MPa。（5）基于模型指导锂离子电池的安全设计,实现模型的安全应用。在前述建模的基础上,从电池安全检测及设计的角度实现了对模型的应用,对威胁锂离子电池安全的重要现象—析锂,进行基于电化学机理模型的析锂深入检测。根据析锂是否进行至集流体界面而提出“完全析锂”和“不完全析锂”,定义了“析锂深度”并基于此估计析锂风险电压区间,从电极设计的角度探索一种缓解和抑制析锂的方法。该方法简单易于嵌入电池管理系统进行电动车和储能电池安全检测。本文旨在提升锂离子电池多场耦合建模能力和电化学-力-热前沿理论的发展,同时数据可为锂离子电池安全管理系统模型提供数值范围和理论指导。