科技的发展增加了人类对电子设备的依赖，如智能手机，电脑以及电动汽车，无人机和航空航天设备等大型电力驱动装置。这些电子设备的发展对供电提出了更高的要求，在保证用电设备不因电池燃烧、爆炸或失效而失灵的前提下，我们希望电池的质量和体积减小，容量增大，以满足设备更长的运行时间。在各种可充电电池中，锂离子电池因在能量密度方面具有显著优势而被广泛应用。高能量密度的锂电池在充放电过程中需容纳更多的锂离子，这带来了显著的体积变化与高应力状态，从而可能引发诸如结构断裂、疲劳等破坏现象，严重影响了锂离子电池的工作性能和使用寿命。从力学角度深入分析电极材料在充放电过程中的应力演化机制，并通过优化设计来预防潜在的结构损坏问题，对于提升电池的循环稳定性显得尤为重要，有助于为高能量密度和高循环寿命的电能存储设备提供有效的工程和科学研究。

锂电池在快充工作时，负极表面的锂电镀（剥离）和电极内部嵌锂同时发生，由于电化学反应的不均匀，锂在电极表面被还原的速率大于向电极内部的嵌锂速率，此时会有镀锂层的形成。随着电化学循环的进行，表面镀层会逐渐脱离电极形成死锂，造成活性材料的不可逆损耗，大大降低电池的使用寿命。对于镀层的生长而言，表面沉积与内部扩散表现出两种竞争机制，涉及电化学还原，内部物质扩散和应力场的演化，针对锂离子电池快速充放电过程中电极表面锂沉积与内部扩散的耦合问题，开发了一套多物理场耦合的有限元数值框架。该模型通过集成界面电化学反应动力学、电化学-力学耦合理论、多材料本构模型（硅/石墨/锂）及动态表面重网格算法，实现了电极表面锂沉积生长与内部扩散-变形过程的实时耦合模拟，为高能量密度电极的结构优化提供了理论工具。

全固态锂金属电池被公认为是一种前景广阔的下一代储能载体，在安全性和能量密度方面具有显著优势。然而，这些电池的长期循环稳定性往往受到力载和扩散耦合效应导致的界面失效的影响，对于高比能活性电极材料组成的固态电池而言，界面破坏引发的电池老化问题更加显著，针对固态电极中颗粒与电解质界面的破坏过程，我们提出了一种伪三维的概率失效预测模型，量化力-扩散耦合下电极颗粒与电解质界面损伤的临界条件，并通过力电化耦合有限元模拟验证了预测模型的可靠性，并针对多颗粒复合电极薄膜，构建了一个概率容量损失-界面强度相关模型，找到影响电极损伤的关键几何特征因素，研究了颗粒分布特征和活性材料体积分数在界面破坏问题中的影响，为固态电池中复合电极的可靠性开发提供了理论支持。

本文关注电池中的两种主要失效机制：负极快充时电极表面的析锂失效与正极颗粒-固态电解质的界面接触失效。针对快充时负极表面的析锂失效构建析锂层动态生长的力电化有限元算法，实现了对析锂层生长过程中多物理场演化的仿真分析；针对正极颗粒与电解质界面接触失效构建了伪三维界面失效的数学模型，并探究多颗粒复合电极结构中颗粒失效的分布规律。本项工作的意义在于，从理论和结构设计两方面，对不同电极结构的力学表现做了深入研究，为解决高能量密度电极材料在充放电过程中由结构断裂和疲劳问题引起的严重的容量衰减和寿命低等问题提供了重要的指导作用。