随着锂离子电池能量密度的不断提升，其在电动汽车、电动飞机以及智能电子设备等领域的应用所带来的安全风险已成为亟待解决的难题[1]。在机械冲击、过充以及高温等极端条件下，锂离子电池容易发生爆炸事故[2,3]。在储能与供电系统这类封闭环境中，单个电池的爆炸极易引发相邻电池的连锁热失控现象，产生的峰值压力可高达23.2 MPa[4]。此外，在高压容器及战场环境中也可能出现爆炸载荷，其峰值超压可达101–103 MPa，会对电力系统的可靠性构成严重威胁[5]。
已有大量研究探讨了金属[6,7]、泡沫[8]以及复合材料[[9], [10], [11], [12]]在爆炸载荷作用下的力学响应。不过，针对锂离子电池在爆炸载荷作用下的研究极为少见。尽管如此，这一课题对于研究电池的电化学老化、热失控现象以及二次爆炸问题，进而保障储能系统安全具有重要意义[2]。近年来，有许多研究着眼于分析锂离子电池在动态载荷作用下的机械失效、内部短路以及热失控现象。Kister等人指出，电池的力-位移响应会随加载速率的不同而显著变化，这体现了电池结构、边界条件、外部包装以及电解质特性等多种因素的综合影响[13,14]。Hu等人发现，惯性效应会导致应变局部化，从而降低电池的失效阈值[15]。Zhang等人则发现了电池在受到冲击时的独特电压响应模式，并将容量下降归因于活性层的微裂纹形成与分层现象[16]。此外，从实际工程应用的角度出发，还有许多研究探讨了复杂载荷[[56], [57], [58], [59], [60]]以及电池充电状态[[61], [62], [63], [64], [65]]对锂离子电池在动态冲击作用下的影响。Zhang等人分析了18650型电池在动态冲击作用下的复杂失效模式，并明确了电池充电状态对机械失效与热失控现象的影响[66]。在此基础上，他们提出了基于最大允许变形量的动态失效判据[67]。进一步的研究表明，动态三点弯曲载荷作用下，加载速度、冲击质量、电池充电状态以及环境温度都会对电池的变形程度、断裂特征以及内部短路现象产生显著影响[68]。这些研究都表明，在动态载荷作用下，引发内部短路的临界条件要比准静态条件更为宽松，而且电池的断裂模式也会显著依赖于加载速率[[17], [18], [19]]。
为进一步阐明这些与加载速率相关的响应特性，人们开展了组件级的研究。Zhu等人发现，电解液的存在会提高电池在动态载荷作用下的电阻值[20]。Li等人则强调了应变率效应在较宽范围（10-3–103 s-1）内的主导作用[21,22]。Hu等人进一步证明，应变率与电解液特性之间的相互作用决定了电池的力学性能：在较高加载速率下，电解液的流动会提升孔隙压力，破坏电池的微观结构完整性，从而导致含电解液的电池强度与刚度下降[15]。这些结果都表明，锂离子电池的力学响应是由应变率与电解液特性的耦合作用共同决定的。
尽管已取得了一些进展，但锂离子电池在爆炸载荷作用下的响应机制仍大多未被深入探索。现有的研究主要聚焦于弹道冲击现象，以及弹丸几何形状、冲击速度、电池充电状态等参数的影响[[23], [24], [25], [26], [27], [28]]，并且通常借助计算机断层扫描技术以及数值模拟方法来分析电池内部损伤的演化过程[29,30]。迄今为止，仅有一项研究探讨了电池在远场爆炸作用下的退化现象，且该研究的测试条件所对应的峰值超压低于1.3 MPa，仅观察到了轻微的电化学变化[31]。这样的条件无法真实反映极端的实际环境。更重要的是，以往的研究并未同时捕捉到机械变形、电学响应以及热演化过程之间的实时耦合关系，因此爆炸载荷、结构失效以及内部短路现象之间的内在机制仍未被阐明。为解决这些难题，本研究首次系统地分析了锂离子电池在爆炸载荷作用下的多场多阶段演化过程，涵盖了瞬态冲击阶段以及随后的结构响应阶段。通过结合原位多模态诊断技术（包括变形、温度、电压以及热失控现象的监测）、事后计算机断层扫描分析，以及经过验证的结构化任意拉格朗日-欧拉数值建模方法，该研究成功分离出了气体生成与燃烧作用对电池机械失效路径的影响。
本文的结构安排如下：第2节介绍实验方法；第3节阐述满电状态电池在爆炸载荷作用下的耦合响应特性；第4节基于放电状态电池以及数值模拟结果分析电池的机械失效机制；第5节探讨机械响应、电压演化与内部短路现象之间的关联机制，最后在第6节给出研究结论。
