为什么手机电池用了一两年后，续航就大不如前了？除了我们常说的“电池损耗”，其内部其实一直在进行一场看不见的“应力战争”。
锂离子电池在充放电时，锂离子在电极材料中进出，就像客人不断涌入又离开房间，会导致材料体积膨胀收缩，产生所谓的“扩散诱导应力”。同时，电池工作时会发热，材料热胀冷缩又带来了“热应力”。这两种应力叠加，是导致电池内部结构损伤、容量下降和寿命缩短的关键幕后推手之一。
因此，搞清楚电池内部应力的“分布图”和“变化规律”，对于理解电池如何老化、如何设计更耐用的电池至关重要。但直接测量电池内部的应力全场变化极其困难，原位观测方法往往昂贵且只能看到局部。
针对这个难题，河北工业大学的刘素贞、陈永博等研究者，采取了一种“虚实结合”的思路。先建立了一个精细的锂离子电池三维电化学-热-应力耦合仿真模型，相当于在电脑里构建了一个数字孪生电池；同时，他们搭建实验平台，实际测量电池在不同倍率充放电下的表面温度和压力。
将实验数据与仿真结果对比验证后，这个数字模型就被证明是可靠的。利用它，研究人员得以“透视”电池内部，揭示了一些有趣的发现。
电池在充电时就像一个慢慢充气的气球，表面压力会随着电量（SOC）增加而逐渐增大，结束时达到最大。充电速度越快，压力上升得越快，但由于快充带来的极化效应，电池可能充不满，所以最终的最大表面压力反而会随倍率增大而略有减小。这意味着，通过优化充电策略，是有可能调控电池所受的应力水平的。
图1 1.0C倍率恒流充电截止时电池单元总应变、总应力分布
另外，电池内部的总应力主要由扩散诱导应力主导，热应力的贡献在常规倍率下相对较小。但这不代表热应力不重要。随着充放电倍率增大，电池发热加剧，热应力的占比也会水涨船高。在快充、高温或长期循环的严苛条件下，热应力对电池衰减和安全的影响将不容忽视。
图2 1.0C倍率恒流充电过程中总应力、扩散诱导应力、热应力随时间的变化
而且，应力在电池内部并非均匀分布。由于材料特性差异，负极活性层中的应力不均匀现象比正极更明显。可以预见，这种“受力不均”的局面长期累积，会导致电池内部老化速度不一，加速整体性能衰退。
团队指出，该方法可以有效获取锂离子电池在运行过程中的应力分布情况，有助于电池失效机理研究，为电池的优化设计和应用提供参考。
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-应力三维耦合建模及应力分布研究”。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。
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