中国科大发表锂离子电池多场耦合建模综述论文

锂离子电池的运行涉及电化学、力、热多物理场的复杂耦合。构建多物理场耦合模型，是深入理解电池内部运行机理并进行多场特征预测的关键。近日，中国科学技术大学火灾安全全国重点实验室王青松研究员团队在The Innovation在线发表题为Electrochemical–mechanical–thermal modelling for lithium-ion batteries的综述论文。文章梳理了电化学-力-热相互作用和耦合特性，总结了电化学、力学与热学及其多物理场耦合模型的构建方法与应用，并进一步归纳了参数获取与模型验证策略。这些内容有助于研究者快速选择与匹配合适模型，从而为电池的安全设计与工程应用提供理论指导。

图1 锂离子电池电化学-力-热多物理场模型及应用

本文首先总结了电池电化学-力-热多场耦合特性，从热力学、动力学和衰减机制三方面理解电化学性能，力学特性方面主要考虑了内部应力产生和外部机械加载，热特性方面主要考虑了电池正常工作过程的产热和热失控。基于电池的电化学-力-热多场耦合特性，针对性地构建了不同尺度、维度的电池模型。电化学模型是锂离子电池模型的基础，主要描述电极过程，模型大多为颗粒和电极层级，但维度不限。将电化学模型分为P2D模型、以单颗粒模型为代表的简化P2D模型、电化学衰减模型和3D电极微结构重构模型。根据应力产生机理，将力学模型分为扩散应力模型，热应力模型，和机械失效模型。热模型分为平均热模型，电-热耦合模型，电化学-热耦合模型，和热失控模型。电化学-力-热耦合模型主要用于研究电池的力学相关行为，通常可分为两类：其一为与内部应力演化相关的电化学-热耦合过程，该类模型重点关注扩散诱导应力及热应力的产生及其对电池衰退行为的影响；其二为考虑外部机械载荷作用下的电化学-热耦合过程，主要用于描述机械加载诱发的内短路及热失控行为。

图2 多尺度锂离子电池电化学-力-热模型分类及应用

准确的参数获取和模型验证是建模的基础，本文总结了构建电化学、力、热模型所需的参数，并总结了锂扩散系数、离子电导率、反应速率常数、杨氏模量、开路电压、内阻、熵系数、比热容、导热系数等重要参数的详细获取方法。在模型验证方面，本文总结了电化学模型、热模型和力模型所需的模型验证参量以及验证效果，以确保模型准确性。本综述最后展望了获取原位精准的电池内部特征、开发基于物理信息的神经网络、推广标准化与通用化的开源模型，以及将建模能力扩展至电池包与系统级层面等研究方向。

中国科学技术大学梅文昕副研究员为论文的第一作者，王青松研究员为论文通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、内蒙古自治区“科技突围项目”、中央高校基本科研业务费、中国科学院青年创新促进会的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.xinn.2026.101472

（火灾安全全国重点实验室、科研部）