电化学-力学耦合机制对硅基负极充放电过程中应力松弛及循环稳定性具有至关重要的作用,但硅锂化过程中伴随大的体积变形所涉及的几何非线性问题及循环锂化过程中电化学性能的数值预测尚不足,需同时发展高性能的数值计算方法,特别对复合和中空结构电极的电化学性能研究目前尚止于实验阶段,如何构筑集理论与计算于一体的数值仿真平台是研究锂电问题的一大瓶颈。本文基于Cahn-Hilliard型物质扩散和有限变形理论,建立电化学-力学耦合模型,利用ABAQUS对新颖的中空核-壳和多孔结构电极进行定量分析,本文研究内容主要包括以下三个方面:(1)利用用户单元子程序(UEL)数值实现了电化学-力学耦合理论。基于界面反应动力学,计算得到电压响应曲线,计算结果整体趋势与实验结果吻合很好。(2)针对当前流行的中空硅和中空碳包覆硅电极材料,数值分析了电极锂化-脱锂过程中的电化学与力学行为,揭示了应力对硅复合电极电化学性能影响的作用机制。首先,研究发现,相比于实心硅负极,由于碳层和内部孔隙对体积膨胀缓解的双重效应,中空碳包覆硅负极应力水平明显下降,颗粒内部锂离子浓度水平更高,且更趋向于均匀分布,更早地达到完全锂化状态,充分显示出其优异的电化学性能;相比于中空硅负极,中空碳包覆硅负极颗粒内部锂离子浓度水平略低,但充放电循环过程中应力峰值显著降低(约23%),充分显示出其优异的力学性能。其次,碳包覆层厚度的增加同时降低了电极颗粒内部的应力和锂离子浓度水平,当扩散引起的应力低于材料强度时,碳包覆层厚度应尽可能的小以免降低电极容量。最后,数值模拟二十次嵌锂-脱锂循环表明应力水平的缓解延缓了中空碳包覆硅负极的容量衰减。(3)针对当前流行的多孔硅电极材料,数值研究了电极/电解质界面处锂离子浓度和应力分布,并分析了孔径对电极应力的影响。研究发现,应力的缓解通过改变化学势进而影响了界面处的锂离子浓度,这表明孔的存在极大地影响了多孔硅负极电化学性能,且随孔径的增大,界面处应力水平明显下降。然而孔边处的应力集中越发明显,应力值逐渐增大,这可能引起电极龟裂,因此必须合理地选择孔径以避免电极断裂。此外,数值模拟多孔硅负极五次充放电循环同样表现出应力缓解对容量衰减的延缓性。本文的研究有助于理解在整个电化学过程中的应力演化对电极材料电化学性能及循环稳定性的重要作用,为设计硅基负极提供了有效途径和理论依据。