锂离子电池广泛应用于航天、航空、航海及轨道交通等领域,已成为现代社会人类生产生活不可或缺的一部分。锂离子电池负极材料在锂离子脱/嵌的过程中,会发生较大的膨胀和收缩变形,反复循环会造成损伤效应的累积,最终导致电极材料失效。建立原位的实验测试装置,揭示负极材料的变形与失效机理是锂离子电池亟待发展的关键科学与技术问题之一。本文以石墨负极为研究对象,通过原位扫描电镜、原位光学实验和数值模拟相结合的方法,探究负极锂化膨胀引起的变形演化机理和锂离子扩散规律,从电极结构层面为锂离子电池的商业化负极应用提供技术支撑。本文主要研究内容和结论如下:1、自主设计并搭建宏观原位光学实验平台,在真实电池的基础上,设计能够反映电池内部真实电化学反应的原位池。基于比色法实现充放电过程中电池内部锂化分布的定性表征,率先报道了真实电池内部离子扩散路径,揭示了真实服役环境下锂离子扩散机理。原位光学实验研究发现:锂离子穿过隔膜从电极表面嵌入石墨负极,并从石墨电极外侧靠近隔膜处脱出,电极表面为嵌/脱锂优先区域;电池内部活性高的地方有集中嵌锂区域,具有锂化不均匀的现象。2、自主设计并搭建微观原位扫描电镜实验平台,并结合非接触式数字图像相关法,首次定量表征石墨负极材料在锂化过程中的变形场演化规律。原位实验研究表明:通过计算面内位移场与应变场得到电极截面各向异性变形演化过程,膨胀变形主要集中在厚度方向。石墨负极首次充放电循环存在不可逆膨胀,并达到首次变形的一半;在第二循环周期内,电极材料厚度方向最大膨胀达到7.98%,并形成稳定的可逆变形循环。3、发展了单层电极模型,通过有限元模拟计算获得了单层电极锂化过程电极膨胀变形与锂离子等效扩散演化规律。模拟结果解释了宏观原位光学实验现象,包括石墨电极锂化和锂离子扩散从外到内的基本路径、电极材料表面优先发生嵌/脱锂反应等;其次,与原位SEM实验数据结果相比较,厚度方向膨胀变形和平均应变值两者相近,变化趋势相同。模拟计算结果有效地分析了电池的变形与机理,为电极结构设计提供重要支撑。