液流电池是目前最适用于大规模储能的电化学储能系统之一,在实际应用中通常由众多的单个电池堆以串联或并联的方式连接而成,每个电池堆则由数量繁多、结构各异的组件堆叠并紧固组装而成。这种堆叠组装方式以及电池结构使得液流电池具有一些不同于其他电池的特征,例如,由组件之间应力分布不当导致的电池堆漏液特性;由关键组件间堆叠紧密程度不同导致的电池接触内阻以及电极活性反应面积不同等特性。这些表明,由于其特殊的电池结构,液流电池中组件的力学状态不仅会影响电池的机械性能以及运行寿命,也会影响电池的电化学性能。因此,针对液流电池的机械失效以及力学对电化学作用机制的研究具有重要意义。本论文以液流电池中的典型代表全钒液流电池作为研究对象,通过建立三维结构力学模型以及力学与电化学三维耦合模型,结合实验分析,系统地研究了液流电池的力学特性以及电化学特性,特别是电池内组件的力学状态对电池机械失效、电池可靠性以及电池电化学性能的影响机制,有助于优化全钒液流电池的结构设计以及装配条件,对提升电池的机械性能、运行寿命以及电池效率起到至关重要的作用。本文针对全钒液流电池的机械失效以及力学对电化学作用机制,展开以下研究:首先,建立了基于线弹性力学广义胡克定律的钒电池三维结构力学模型,利用有限元法成功地将大规模储能电池中难以开展的力学实验研究转移至简便易行的数值仿真分析,为大型储能系统的力学失效分析提供了有效的研究方法。其次,针对电池的机械失效,分析了不同电池堆设计和装配条件下电池内部各组件上的应力分布特性,引入了材料失效准则,研究了电池各组件潜在的机械失效或损伤。结果表明,隔膜、双极板和导流板是电池中较易发生机械失效的组件,电池的结构设计以及装配力的大小是影响电池机械性能的两个重要因素。然后,为了量化评估电池的机械性能,提出了电池堆机械失效概率的概念,并对电池堆进行了结构优化设计。结果表明,电池堆失效概率与材料、电池堆设计和装配力密切相关;而电池堆中间加厚板的设计能显著降低电池堆的机械失效概率。最后,为研究电池的力学对电化学作用机制,通过基于质量守恒以及电荷守恒建立了钒电池三维电化学模型,将钒电池的力学模型与电化学模型进行耦合,全面分析了电池堆的装配力对电池电化学特性的影响,重点分析了电极形貌、电化学传质过程以及电池极化的变化规律,并将装配力对电池的机械失效概率和电化学性能的综合影响进行了优化。结果表明,随着装配力的增加,钒电池的整体极化降低,并且在一定装配力下可以实现高功率密度。考虑到装配力对电池机械失效概率的影响,最终选定最佳装配力,使得电池在达到高功率密度的同时也具备较低的机械失效概率。