锂离子电池是一种可充电电池,依靠锂离子在正极和负极之间的扩散移动来工作。在充放电过程中,电池电极反复地渗入和析出锂离子,进而其体积会随之发生剧烈的变化。由于整个电极变形的不协调,电极内部将会产生应力,当应力过大时电极将会被破坏。为研究锂离子电池电极由于离子扩散与结构变形耦合作用导致的特殊力学性质,尤其是在充放电过程中,电极材料含有的各种裂纹对其内部应力分布的影响,本文构建了描述锂离子电池电极充放电过程中电极结构变形与锂离子在电极结构内部扩散行为的耦合理论模型,并利用商业有限元计算软件《COMSOL Multiphysics》进行了定量仿真模拟计算,系统研究了多种因素,如充放电快慢,电极结构内部裂纹或孔洞等,对电极结构中力学与扩散场的影响。首先,基于美国布朗大学学者首先提出的电极结构中离子扩散系数受结构内部应力影响的定量依赖关系,建立了针对圆片状电极材料在恒定电流充电情况下的弹性-扩散耦合模型。基于该耦合模型,利用商业有限元软件《COMSOL Multiphysics》对含裂纹或孔洞电极结构进行了定量仿真计算。当裂纹位于圆形电极中心位置,研究了圆形、椭圆形和矩形等不同形状及几何尺寸对电极板应力分布的影响。发现椭圆形裂纹的长细比及尺寸同时对电极板内部应力集中程度有很大的影响。对比不同形状的裂纹,发现裂纹的形状对于应力集中的影响也很显著,当裂纹尺寸相同时,矩形引起的应力集中最大,孔洞最小,椭圆居中。其次,研究了裂纹和孔洞在圆形电极中的位置对电极板应力分布的影响。发现偏心距离与电极板应力的分布也有着密切的关系,对于椭圆形裂纹和孔洞情况,当裂纹由中心处向外偏心时,随着偏心距离的增大,引起的应力集中程度先增大后减少,表明对于一个确定的裂纹,存在一个极值位置可以产生最大的应力集中程度。本文在最后还研究了充放电速率对电极应力场分布的影响,并横向比较了充电和放电情况对电极结构应力分布的影响。发现充放电快慢速率对于电极板内部的应力集中程度和离子分布情况都有很大影响,同等电流强度下,充电时电极板的应力集中程度要远高于放电情况。