锂离子电池因其优异的性能在便携电子产品、新能源储能装置以及动力电池领域得到了广泛应用。在电池研发制备过程中,若能对研发中电池的内外特性进行预测,对电池研发周期的缩短具有重要意义。传统锂离子电池模型能够较为准确的预测电池充放电行为,但其存在很多缺陷,特别是他的均质化处理虽然提高了模型仿真速度,但无法对电池微观结构进行建模仿真。本文对电池微观尺度建模进行了研究,从模型参数获取构建以及设计等方面开展。针对镍钴锰三元石墨全电池,采用实验手段获取其正负极固相扩散系数、开路电势等内部参数,在小形变和平面应变假设下,推导了电极颗粒的力学方程和扩散方程,构建颗粒尺度下的电化学-机械模型。在此基础上,对活性颗粒微观结构以及实际制备过程的改性方法进行数学建模,利用模型对活性颗粒材料的电化学及力学性能进行研究分析,挖掘影响活性颗粒容量发挥及机械稳定的限制条件。结果表明活性颗粒半径和固相扩散系数对活性材料容量发挥及机械稳定性都是高敏感参数,而杨氏模量仅对机械稳定性是敏感参数,膨胀系数则对两个特性具有低敏感性,梯度渐变形式的核壳结构设计能够有效地提高活性颗粒的机械稳定性、降低界面相内应力从而降低锂离子在界面处的传输阻力。将上述模型引入传统电化学模型中,开发了包含颗粒尺度的三维异构电化学-机械模型,该模型能够同时考察颗粒尺度下以及电极层中的电化学-机械耦合过程。通过分析模型在放电过程中内部物理量的分布情况,发现电极中靠近隔膜端的活性颗粒率先发生嵌脱锂反应,并呈现向集流体“扩散”的趋势,并且电池倍率性能受限的主要原因是电池电极层“紧密”堆叠活性颗粒致使液相锂离子浓度和液相电势梯度化导致的活性颗粒脱嵌锂程度不均匀。虽然“紧密”压实的电极能够有效的防止活性颗粒因自身内应力破碎,但对导电/粘结剂的机械强度要求也变得更加严格。为此引入了“梯度化”设计堆叠模型,结果显示“梯度”堆叠模型中隔膜端活性颗粒较小的粒径一方面能够使其迅速达到饱和锂离子浓度,从而降低其表面反应速率,使电化学反应速率中心向集流体侧“扩散”,进而使电极层内部活性颗粒容量能够得到释放,提高电池放电容量,另一方面较小的活性颗粒粒径使颗粒表面扩散诱导应力更小,形变更小,从而导致隔膜端活性颗粒对导电/粘结剂的作用更加小,使得电极层表面的导电/粘结剂结构更加稳定,有利于整个电极层的稳定。本文开发的电化学-机械模型能够在宏观结构以及微观结构进行仿真设计,为不同材料体系下活性颗粒以及电极层结构设计提供指导。