锂电池的力学与产气、电化学、寿命是如何相互影响的？——GT-Autolion 锂电池的力学与产气、电化学、寿命是如何相互影响的？
锂离子电池在充放电循环中，力学与电化学行为并非孤立存在，而是通过多种机制深度耦合，共同决定电池的性能退化与寿命演变。理解这一相互作用，对于高能量密度、长寿命电池的设计至关重要。本文旨在介绍如何在电池设计中利用GT-AutoLion对力学与产气、电化学、寿命之间的相互影响进行系统仿真分析。力学行为对电池性能与老化具有显著影响，且这种影响呈现典型的“双刃剑”特征。当外部夹紧力过小时，电极缺乏有效约束，充放电体积变化引发颗粒内部显著的应力梯度与应力幅值，导致活性材料开裂与脱落加速；同时，局部应力集中使过电位负移，诱发析锂，并阻碍锂离子均匀扩散，加剧浓差极化，形成力学-电化学相互加剧的正反馈循环。反之，当夹紧力过大时，电极与隔膜孔隙结构被过度压缩，孔隙率下降直接增大锂离子扩散阻力；同时电解液浸润不足，增加局部干涸风险；极端情况下还可能引发隔膜机械失效与内短路，严重威胁电池安全。上述力学-寿命耦合并非单向作用。随着电池循环老化推进，SEI/CEI/析锂等膜的持续生长，导致电极体积不可逆膨胀及孔隙率下降，会显著改变电池内部的应力分布状态，使循环过程中的最大应力较初期大幅上升。老化带来的力学环境恶化，反过来又进一步加速上述损伤过程，构成一个不断强化的退化闭环。另外，产气（如电解液分解）也会对电池的力学特征产生显著影响。在GT-AutoLion仿真平台中，上述双向耦合机制可通过内置的微观和宏观层级的力学模型，耦合电极反应动力学、锂离子输运方程、产气副反应以及寿命模型进行模拟。
电池的膨胀一般有以下5种原因，并可以划分为可逆膨胀和不可逆膨胀。可逆膨胀包含材料弹性变形、脱嵌锂、以及温度变化导致的力学膨胀。而不可逆膨胀主要是指由于老化、产气等副反应导致的膨胀。目前GT-Autolion可以模拟全部机制。
数据来源（Physics-Based Swelling Simulation of 45Ah Li-ion PouchCell Using GT-AutoLion, M Premasudha）
本例以NCM811 / Graphite软包电池为例，展示了力学对电池电压曲线的影响。下图为考虑力学与不考虑力学电池放电电压对比，从图中可以看出，考虑力学后，由于力学影响颗粒物中锂离子的扩散过程，故导致极化损失明显加剧。
对该极化损失进行分解后，可以发现“应力-扩散耦合”导致扩散极化减少，但活化极化损失显著增加。
本例以LFPO / Graphite电池为例，展示了不同夹紧力下的负极活性材料的脱落损耗，从图中可以看出，增加夹紧力会减少活性材料的损耗。
下图为CCCV循环过程中，随着SEI/CEI膜的增长导致的电池应力的变化
下图为SUNMOBILTY公司在2026年针对一个三元45Ah的软包电池进行老化过程中的力学计算，并与试验进行了验证，从图中可以看出计算与试验结果匹配良好。数据来源（Physics-Based Swelling Simulation of 45Ah Li-ion PouchCell Using GT-AutoLion, M Premasudha）
在电芯充放电过程会发生一些副反应，比如SEI膜的分解、负极材料与电解液的反应、电解液的分解、正极材料的分解。这些反应中都会产生一些气体，有些反应（如电解液分解）会在电芯正常的工作条件中发生，有些则在极端条件（如温度很高，热失控）下才会发生。这些气体积聚集在电芯内部，导致压力不断升高。
Ethylene Carbonate→product + 0.0025 H2 + 0.08596 CO + 0.05509 CO2 + 0.0025 CH4 + 0.01529 C2H4 + 0.01804 C3H6在GT-Autolion中，产气过程能够与力学模型耦合，影响电池的力学特征。本例展示在正常的CCCV循环过程中，由于电解液分解产气导致的力学特征的变化。下图为电解液分解速率与电芯应力的关系，可以看出，随着产气量的不断累积，应力也不断增加。
在仿真工具层面，GT-AutoLion将微观尺度的颗粒应力-扩散-反应耦合模型与宏观尺度的电芯膨胀-模组约束力学模型集成于同一平台，实现了力-电-热-寿命的多物理场协同仿真。该工具不仅能够复现力学对极化行为和寿命衰减的影响规律，还能定量预测老化过程中的应力演化趋势。同时反映产气对力学特征的影响
GT-AutoLion为电池工程师提供了一套可在设计阶段同时兼顾电化学性能、机械完整性和循环寿命的系统级仿真解决方案，有助于在电芯配方设计、极片结构优化及Pack约束方案制定中做出更科学、更均衡的工程决策。
作者：臧儒振博士 GT-SUITE产品经理，主要负责整车热管理，锂电池，燃料电池等领域的仿真。
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