电池技术是制约电动汽车大规模推广的核心因素之一。近年来,磷酸铁锂(LiFePO4)电池以其安全、稳定、廉价、无毒等优点成为最受关注的动力电池之但无论是在LiFePO4电池的工程应用还是科学研究中,仍然存在许多传统理论无法准确解释的问题。基于对第一性原理计算结果和微观实验观测结果的认识,本文针对单个LiFePO4纳米颗粒进行嵌锂及相变动力学研究。将形如Butler-Vomer方程的界面反应速率模型与Cahn-Hilliard相场模型以热力学自洽的方式耦合起来,首次提供了研究纳米尺度嵌锂相变动力学的理论工具。通过对电化学驱动的相变过程进行热力学分析,本文研究发现了受控相变系统发生相分离的必要条件,只有当热力学平衡方程具有两个稳定的解时,系统才存在相分离的可能。在本文假设条件下,当单个颗粒感受到的外加电压超过40mV,热力学平衡方程只有唯一的解,系统不具备相分离的可能。对于以恒电流状态工作的电化学系统,本文引入了积分约束条件,从而将微观相变过程与宏观电化学响应联系起来。在积分约束条件下,对动力学控制方程进行了非平衡线性稳定性分析。研究表明,随着电流强度的改变,一旦放电时间常数小于相分离时间常数,相分离过程将被抑制,系统将以“类固溶体”的路径发生反应。运用有限差分法对动力学模型进行数值模拟,所得结果与非平衡热力学分析预测一致。以较大电流放电时,LiFePO4纳米颗粒不会发生相变,而是被锂离子均匀填充。宏观上表现出的电压平台,以及非原位实验观测到的两相共存颗粒,掩盖了原位动力学本质。运用溶剂热法进行材料合成,得到了尺寸分布在100nm以下、0.1C放电比容量在140mAh/g以上、10C放电比容量在90mAh/g以上、且循环性能稳定的LiFePO4纳米材料。首先,以单颗粒受控相变机理为基础,建立了多孔电极相变的随机数学模型。之后,运用恒电位滴定实验对自制LiFePO4半电池进行研究发现,当以较小幅值进行电压阶跃激励时,充放电电流响应曲线不对称,但都表现出相变特征；而以较大幅值进行激励时,所得电流响应曲线的不对称性被抑制。结合最新研究成果,本文分析提出了多孔电极充放电过程的“伪相变”机制。