锂离子电池具有容量密度高、功率高、环境友好和自放电低等优点,因此被广泛地用作电子设备和电动汽车的能量源。在充放电循环过程中,锂离子的嵌入/脱出会引起电极尺寸和表面形貌的变化,进而引起电极应力的变化。力学性能的变化和锂化/脱锂化产生的应力,会严重影响到锂电池的性能和寿命。本工作通过原位实验手段的设计和应用,对锂离子电池层状电极在电化学循环过程中的变形和力学性能的变化进行了详细的介绍和分析。层状电极是商业电池最常用的结构,主要包括由一层活性层和一层集流体。在锂化过程中,锂离子的嵌入和脱出会引起活性层的膨胀和收缩。而集流体会约束这种变形,这种变形的失配会引起电极发生弯曲变形。结合这种变形现象,可以设计原位观测实验,来详细分析锂离子电池电极材料的电化学-力学耦合现象。在第二章,我们主要介绍了原位曲率测试系统(CMS)的组装过程以及硅复合电极力学性能的变化趋势。实验中对多孔复合硅电极进行充放电测试,结合CCD相机原位采集电化学循环中电极的变形过程。同时,建立了基于小变形弹性条件下的力学模型,用来分析复合电极的弯曲变形过程与材料参数、材料尺寸、锂离子浓度之间的关系。进而,可得到复合硅电极杨氏模量和应力随锂离子浓度的变化趋势。实验发现,在锂化过程中,复合硅电极的杨氏模量呈逐渐减小趋势,由0.64 GPa减小至0.18GPa。但是,在脱锂过程中,杨氏模量同样呈减小趋势。这是由于电极表面产生裂纹,从而引起这个特殊的现象。同时,在锂化过程中,活性层承受压应力,并且呈线性增长趋势。在脱锂过程中,由于裂纹的形成,压应力会快速地降到一个平台。在第三章,我们使用同样的测试系统,进一步分析粘结剂对复合硅电极力学性能和电化学性能的影响。实验中选用的三种具有代表性的粘结剂,包括海藻酸钠(SA),Nafion和polyvinylidene fluoride(PVDF)。实验中的层状电极主要由纳米硅颗粒、导电炭黑和粘结剂混合制备而成。通过原位采集充放电过程中曲率的变化,同时分析了复合硅电极的力学性能和抵抗断裂的能力。对于不同种类的粘结剂,我们得到了曲率、杨氏模量和应力的演化。发现在锂化引起的变形中,相对于Nafion和PVDF,以SA为粘结剂制备的电极的弯曲变形最大,杨氏模量最大。尽管Nafion的杨氏模量比PVDF小,但是硅/Nafion却要比硅/PVDF硬。而且,三种粘结剂制备而成的电极,其杨氏模量不只在锂化过程中会减小,在脱锂过程中同样会呈减小趋势。基于所测应力与SEM拍摄到的复合硅电极的裂纹图像,我们发现用来使硅/SA和硅/Nafion断裂所需要的应力明显要比硅/PVDF大。因此,硅/SA和硅/Nafion抵抗断裂的能力要高于硅/PVDF。这是SA和Nafion作为粘结剂制备的电极具有更加稳定性能的一个重要原因。在第四章中,我们使用MCMB(Meso Carbon Micro Beads)石墨电极来进行实验,进而通过实验设计,得到一种可以控制的弯曲变形。实验中,正极采用磷酸铁锂。在锂化过程中,锂离子的嵌入会引起MCMB石墨发生体积膨胀,进而产生应力以及双层电极的弯曲。通过控制锂离子的嵌入量,我们可以得到预期的弯曲变形。另外,通过控制活性层与集流体的厚度比,同样可以得到预期的变形。同时,该工作结合理论模型,详细分析了变形与锂离子浓度以及厚度比之间的关系。在第五章,进一步使用CMS系统来原位观测商用石墨电极的变形行为以及力学性能。实验中电极粘结剂为Carboxymethyl cellulose(CMC)/styrene butadiene rubber(SBR)。同样使用CCD相机来采集石墨电极在电化学循环过程中产生的曲率。实验中采取两种不同厚度比的石墨电极,正极采用磷酸铁锂。在锂化过程中,我们发现较厚的电极反而会产生较小的变形。而且,不同循环过程中石墨电极的变形趋势基本一致。结果显示石墨的杨氏模量会随着充电状态的变化呈增长趋势。并且,还获得充电过程中偏摩尔体积随充电状态的变化。这是第一次通过宏观实验,原位测得活性材料偏摩尔体积的变化规律。在第六章中,针对层状电极在锂化过程中产生的巨大变形,我们建立了一套弹塑性模型,来进一步分析电极极片的变形行为与应力演化。此处,进一步考虑了集流体的塑性屈服行为。分析结果显示:集流体的塑性变形能够减小其对活性层的约束,促进电极的面内伸长,以及减小电极的弯曲速率。同时,对影响影响弹塑性变形的关键参数进行分析说明。其中,当集流体对活性层的厚度比与杨氏模量比相对较小时,能够引起集流体发生屈服的时间更早,同时产生较大的面内应变和较小的曲率。对于集流体材料,其较小的屈服应力和塑性模量,对于电极的变形可以起到同样的作用。