1、引言

锂离子电池的循环跳水、失效，通常不只是电化学问题，其伴随的材料颗粒碎裂、极片脱粘、电芯鼓包、循环跳水等与材料及电芯的力学行为密不可分。

随着动力电池、储能电池向着更高能量密度、更长循环寿命方向突破，大家多聚焦于材料比容量、电压平台、离子电导率等电化学指标，却常常忽略力学因素对电池全生命周期的重大影响。活性颗粒破碎、粘结剂失效脱粘、充放电诱发扩散应力、极片界面剥离、电芯膨胀鼓包…… 这些力学层面的破坏，会直接诱发内阻飙升、容量快速衰减，甚至带来安全隐患。

大量顶刊研究统计表明，近年来锂电领域，材料力学、电芯力学方向的科研占比已经接近 50%，力学性能评估正在从辅助测试，走向研发核心环节。

图1.锂离子电池失效机制分析

当前锂电力学评估主要分为两大层级即粉体材料层级与电芯层级，二者互为印证，从微观颗粒到整只电池完成全链条解析，如表1为不同层级力学分析研究的重点。

表1. 材料 & 电芯力学双维度研究对比表

2、材料层级：解析颗粒&粉体力学性能，为电芯循环性能奠定基础

粉体活性材料是电池的根基。一颗颗粒被反复挤压、锂脱嵌循环后会不会开裂粉化，直接决定极片与电芯的命运。

单颗粒力学性能测试，就是把微米级的正极、负极颗粒放在探针下完成压溃评估，采集力-位移曲线，获取颗粒压溃力、抗压强度。如图2以 NFMCT 为例，明确独特的形貌和混相的互锁作用赋予了材料多阶段破碎特征，增强了机械结合能，防止了材料在应力下直接发生结构崩溃，最终得到了电性能优异的正极材料。硅碳、高镍三元、硬碳、富锂材料都可以通过这套测试快速评估筛选。

图3.改性正极材料单颗粒力学性能及电性能评估

单颗粒看的是个体颗粒本征强度，而粉体压实压缩测试，则模拟辊压工艺下大量颗粒堆积行为。在加压-卸压循环中，获取压实密度、压缩回弹、形变特征，对标工厂极片辊压工序。将单颗粒本征力学 与粉体整体压实回弹结合，就能为粉体阶段预判辊压工艺风险提供一种思路，避免材料到极片、电芯阶段才暴露出开裂掉粉问题，极大节约研发时间成本。对于固态电池的发展，硫化物、氧化物固态电解质，也需要在不同受压条件同步采集电导率，建立 “压力 形变 离子导电” 关联，适配固态电池开发需求。如图为单颗粒力学与粉体力学的对比，进一步明确其层级关联性。

图4.单颗粒力学与粉体力学关联性探究

3、电芯层级：揭秘电芯力学行为规律，保障电池生命周期安全

粉体性能再好，组装成为电芯之后，卷绕、叠片约束、充放电锂嵌入脱出，又会产生全新的力学问题。锂离子电池的实际应用中及研发工作中，电芯膨胀力学研究是关键，夹紧力设计、CTP/CTC 结构适配，都离不开电芯层级力学数据。如果忽视膨胀力，循环中后期极易出现极片析锂、鼓包、掉料、内短路风险。

以石墨负极为例，锂嵌入生成 LiC₆，会带来约10%本征体积膨胀。电芯内部，膨胀不是自由发生，会受到壳体、夹具、卷芯的约束，从而产生巨大的内部膨胀力。膨胀分为可逆膨胀（伴随充放电SOC变化）和不可逆膨胀（随老化SOH累积产生）。如图5为石墨嵌锂模型与膨胀机理示意图。

图5.石墨嵌锂模型与膨胀机理

当前行业内多通过原位膨胀分析系统模拟不同约束边界条件，同步记录电芯充放电全过程的膨胀厚度、膨胀力、压缩模量。大量实验证实，电芯不可逆膨胀力和电池健康状态SOH存在明确对应关系。老化后的卷芯应力-应变曲线发生偏移，这也为电池寿命预测提供了力学维度的模型支撑。如图6为电芯膨胀测试原理及研究案例。

图6.电芯膨胀测试原理及研究案例

4、 小结

当下“电化学-力学耦合”已经成为行业共识。从微米单颗粒破碎行为，到粉体受压回弹，再到整只电芯充放电膨胀应力，一套完整的力学性能评估解决方案，帮助研发人员提前识别失效风险，指导材料改性、辊压工艺优化、PACK 夹紧力设计，为高能量密度、长寿命电池落地保驾护航。

图7.锂电材料与电芯力学行业需求展望

5、 参考文献

[1] Wenhao Qiu, Mingjie Dong, et al. Synergistic inducting P2/O3 mixed phase by thermal diffusion regulation and high-entropy strategy for high performance layered cathode, Chemical Engineering Journal, 2026, 534, 175314.

[2] Niu Z, Sun Z, Zhang S, et al. Model development for predicting irreversible swelling of aged lithium iron phosphate/graphite pouch cells under different pressures and temperatures[J]. Journal of Power Sources, 2025, 641.

[3]Lyder H A, Lisa D, Uttam M, et al.Strategies for the Analysis of Graphite Electrode Function[J]. Advanced Energy Materials,2021,11(48).