电动汽车的发展对锂电池的容量、充放电速率和使用寿命提出了更高的要求。锂离子在嵌入和脱出电极材料的过程中不可避免地产生应力,尤其是电极内发生相变时,产生严重晶格畸变,甚至导致塑性变形和裂纹的产生。很多理论工作致力于计算电极内应力的大小,提出避免电极破坏的方案。然而,目前研究应力与锂化动力学相互作用机制的工作还比较欠缺。本文主要研究相变电极中的应力演变以及应力对锂离子扩散、输出电势、电极容量和相界面迁移的影响。具体工作归纳如下:本文发展了复杂形状电极中相变、塑性、应力与扩散耦合演化的相场模型。在相场模型中引入一个静态序参量来表征电极颗粒的形状,通过Cahn-Hilliard方程模拟颗粒内部的相变过程,J2流动律描述塑性流动,相场微弹性理论求解相变电极内应力的分布和演化过程。将该相场模型应用于两相锂化过程模拟,重复出前人预测的纳米线电极表面切向压应力转变为拉应力的过程,进一步阐明了复杂形状电极中曲率越大的表面越容易出现这种应力状态的转变。本文发展考虑应力的反应相场模型来研究在电极发生塑性变形时应力对电势和容量的影响。根据应力耦合的广义Butler-Volmer方程,模拟出电极放电曲线。单相锂化过程中电势随容量增加单调下降,电极内的静水压应力会进一步降低电极电势和容量。塑性变形使表面静水压应力降低,甚至转变为静水拉应力,提升电极电势和容量。在两相锂化过程中,放电曲线上会出现电势平台,静水压应力会降低电势平台的高度,并通过降低两相的互溶间隙缩窄电势平台的宽度,引起容量降低。本文提出一个应力耦合的非线性界面迁移模型来研究尺寸依赖的相界面迁移慢化效应的机理。在反应控制条件下,相界面迁移的速率由界面迁移驱动力决定。研究指出塑性变形导致的径向压应力会降低界面移动的驱动力,导致界面迁移变慢。进一步揭示了尺寸依赖的界面移动慢化效应的原因:一方面,在越小尺寸颗粒中表界面应力产生更大的径向压应力,使得界面移动更慢;另一方面,当嵌入相同数量的锂时,越小尺寸颗粒中锂化相的体积分数更大,产生的径向压应力越大,对界面向内移动阻碍得越严重。本文研究了空心球电极中相界面迁移由慢化向加速转变的机理。纳米空心球颗粒的内表面和两相界面附近都存在塑性区。在两相界面处的塑性变形会降低界面迁移的驱动力,使得界面移动变慢。随着两相界面逐渐向内部迁移,内表面附近的塑性区会逐渐向外部扩展,与界面处的塑性区发生合并,相界面前端的塑性变形降低界面迁移驱动力,导致两相界面移动速率加快。进一步根据相界面迁移的规律设计空心球颗粒的尺寸来获得高速率性能和体积能量密度的电极。