锂电池由于其自身的高能量密度、高电压、长寿命等优点,已经广泛应用于航空航天、3C电子、能源存储等领域。随着近年来新能源汽车行业的蓬勃发展,锂离子电池的耐久性与安全性问题也日益突出。其中锂离子电池自身膨胀变形的力学行为是影响锂电池性能与安全性的关键性因素之一。本文以石墨体系软包锂电池为研究对象,通过实验表征与数值模拟相结合的方法,从单层、多层、多极组三个结构层级探究锂离子电池膨胀-收缩变形行为及其引发的内、外部结构应变场重分布机理,期望从力学角度指导锂离子电池结构设计。本文主要开展以下研究:首先,针对单层结构电池变形表征中存在的位移量小、易受外界环境干扰等难题,开展原位实验测量方法与单层电池变形表征及其力学机理研究。自主研制了高精度非接触式激光位移测量平台,解决了单层结构电池微小位移测量难题;原位获得了充放电过程中单层结构电池的位移演化,研究了充放电倍率、容量等因素对单层结构电池离面位移的影响;首次发现了单层结构电池放电初期离面位移减少-增加-减少的新现象,揭示了单层结构电池中颗粒变形引起正负极片叠加变形的力学机制。其次,针对多层结构软包锂离子电池内部应变场原位实验表征难题,开展了基于植入式薄膜传感器的多层结构软包锂离子电池内部应变场测量方法研究。在本课题组前期提出的一体化集成思路基础上,将薄膜应变传感器预植入电池的典型位置,解决了软包锂离子电池传感器“嵌入难”的问题,实验结果表明传感器既不会受到锂电池内部电化学环境腐蚀,也不会影响到电池本身性能,同时可以准确测量并实时传输电池内部的应变信息;针对被测物和应变片厚度量级相当的问题,结合实验测试结果,发展了薄膜传感器应变修正模型,解决了锂离子电池内部传感器“测得准”的难题;首次发现了充放电过程中软包锂离子电池平直段应变呈现“内压外拉”的新现象;此外,基于软包电池内部真实多层卷绕结构开展了数值建模与模拟研究,数值仿真结果与实验结果吻合良好。最后,针对多极组（>100层）锂离子电池外部结构力学行为不清晰的难题,开展了充放电全过程电池外部结构应变场与位移场的实验测试与数值仿真研究。自主搭建了基于双目视觉原理的全场位移DIC（Digital image correlation）测量平台,结合多极组锂离子电池方形壳体多点应变测量方法,获得了充放电全过程中电池壳体位移场、应变场的演化规律,发现了多极组锂离子电池壳体位移场、应变场的非均匀分布现象;发展了COMSOL与ABAQUS联用计算方法,将COMSOL的电化学仿真与ABAQUS的热-力耦合计算相结合,建立了单层锂离子电池SOC（State of charge）分布与多极组锂离子电池力学行为仿真的耦合关联;进一步,基于CT（Computed tomography）扫描获取了多极组锂离子电池的内部结构参数、建立了电池的三维数值模型,仿真获取的电池变形结果与实验结果对应良好;将数值仿真与实验表征相结合,系统分析了多极组锂离子电池变形非均匀分布的原因及其力学机制,为锂离子电池结构设计提供了实验测试手段与仿真方法支撑。