河北工业大学科研团队提出一种锂离子电池应力分布研究的新方法

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省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室（河北工业大学）的研究人员刘素贞、陈永博、张闯、徐志成和金亮在2025年第4期《电工技术学报》上撰文，基于锂离子电池电化学、热、力的多物理场耦合机制建立了锂离子电池电化学-热-应力三维耦合模型，并搭建了锂离子电池充放电实验平台，测试了不同倍率下电池的表面温度和表面压力，验证了所建模型的有效性，并通过模型分析了电池在不同倍率恒流充电过程中内部应力分布及演化规律。

研究背景

锂离子电池在使用和储存过程中面临容量衰减、内阻增大、热失控等性能退化和安全问题，这些问题严重影响其性能和寿命。在锂离子电池的失效过程中，电池内部的应力对其性能和使用寿命起到了重要作用。

扩散诱导应力源于锂离子嵌入/脱嵌过程中的体积变化及其非均匀扩散导致的局部形变，而热应力则由电化学反应产生的热量引发的温度变化造成。这些应力在不同尺度上引起电极颗粒脆性断裂、电极裂开甚至电极与集流体分离等损伤，导致电池性能下降。准确获取锂离子电池应力分布和演变情况对研究电池老化机制至关重要。

论文所解决的问题及意义

目前，锂离子电池应力研究主要采用实验测量和数值仿真两种方法。实验测量法通过光学仪器和传感器可以获取内部应力或表面压力的变化，为理论分析提供必要数据。数值仿真技术基于电池内部的电化学反应机制和力学行为原理，通过数学建模方法实现，能够对锂离子电池内部关键物理量如锂离子浓度、应力以及温度分布进行量化分析。

然而，通过实验测量的方法需要复杂的实验室准备及昂贵的实验设备或破坏电池的整体结构，有一定的内短路风险，因此实验手段在获取电池内部特性变化方面存在一定的局限性。

文章通过理论分析、仿真模拟和实验测量相结合的方法研究了锂离子电池应力分布及影响因素。通过设计不同条件下的电热特性测试实验以及力学特性试验，探究不同条件下电池的电化学特性、温度分布特性以及表面压力特性变化规律；搭建锂离子电池电化学-热-力耦合模型，对不同条件下软包锂离子电池充电过程中的应力分布及演变进行表征；为锂离子电池的内部结构参数的优化以及电池在不同运行环境下的合理选择提供理论依据。

论文方法及创新点

1、锂离子电池多工况下外特性参数获取

文章搭建的锂离子电池电、热及应力测试平台如图1、2所示，在不同条件 下对电池进行基础性能测试、热特性测试及充放电过程中的表面压力测试，获取电池的电压、容量、温度、表面压力等特性参数。

图1 锂离子电池电热实验平台

图2 锂离子电池应力测试系统

2、锂离子电池电化学-热-力耦合原理及模型构建

锂离子电池内部电化学反应复杂且具有多物理场耦合的特性，文章基于多孔电极理论和P2D模型，并结合电池产热和散热机理以及膨胀机理构建了锂离子电池电化学-热-力耦合模型。模型的耦合机制如图 3所示，模型部分仿真结果如图4所示。

图3 模型耦合机制

图4 1C倍率恒流充电结束时电池应变及应力分布

结论

电池恒流充电过程中的应力水平与荷电状态及充电倍率相关，充电过程中电池产生膨胀现象，表面压力逐渐增大，在充电结束时达到最大；随着充电倍率增大，表面压力上升加快，但由于极化效应导致恒流充电结束时电池最大表面压力也随着倍率增大而减小。

由于极化效应以及力学参数的不同，电池内部扩散诱导应力存在不均匀现象。在正负极活性层中产生更大的扩散诱导应力，由于正极材料的体积变化率小于负极材料体积变化率，负极活性层内部应力不均匀现象更加明显，可以预测随着循环次数的增加，不均匀的应力和变形将会导致不均匀的老化。

团队介绍

团队深入研究电工装备的电磁场计算与优化、储能电池的安全状态评价与预警、无损检测与评估等方面的理论和实现方法，探究电工装备的智能化电磁场与智慧能量管理研究新方向。近年来，团队承担了多项国家级、省部级和企业委托课题，取得了一系列研究成果。

刘素贞

博士，教授，博士生导师。天津市师德先进个人，国际电磁场数值计算学会(ICS)会员。承担国家自然科学基金面上及重点项目6项，省部级项目10余项，发表高水平论文90余篇，出版专著2部。研究方向为储能装置的安全状态评价与预警、电工装备电磁无损检测与评估、超声无损检测等。

本工作成果发表在2025年第4期《电工技术学报》，论文标题为“锂离子电池电化学-热-应力三维耦合建模力分布研究“。本课题得到河北省自然科学基金项目和中央引导地方科技发展项目的支持。

引用本文

刘素贞, 陈永博, 张闯, 徐志成, 金亮. 锂离子电池电化学-热-应力三维耦合建模力分布研究[J]. 电工技术学报, 2025, 40(4): 1307-1322. Liu Suzhen, Chen Yongbo, Zhang Chuang, Xu Zhicheng, Jin Liang. Electrochemical Thermal Stress Three-Dimensional Coupling Modeling and Stress Distribution Research of Lithium-Ion Batteries. Transactions of China Electrotechnical Society, 2025, 40(4): 1307-1322.

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