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锂离子电池广泛应用于移动电话、电动车、家用电器、应急电源等商业电子设备。与传统的铅酸电池、镍氢电池等可充电电池相比，锂离子电池具有单位能量密度高、充放电电压稳定、速率快、循环寿命长、安全性能高等优点。但随着经济的快速发展，传统的碳基锂离子电池已不能满足对锂离子高容量的要求，研究者长期致力于开发新的负极材料。硅材料理论比容量（4200mAh/g）特性十分出色，达到了碳材料的负极10倍以上。但在嵌锂情况下，电池硅基负极体积将会发生增大（高达300％），特别容易使负极材料产生裂纹甚至失效。 本文主要通过建立理论模型和第一性原理模拟方法对电池硅基负极材料进行性能预测，从微观角度说明电池负极嵌脱锂条件下失效机理。通过预测结果采取措施优化硅基材料，从而得以提升充电速率和循环寿命等。本文的主要研究内容和结论如下: (1)根据弹性断裂力学原理，构建空心球体硅基颗粒模型。将锂离子在硅基负极中扩散行为与热扩散行为类比，得到应力应变表达式。利用数值分析方式得到了在空心球形电极溶质浓度和应力分布情况。结果表明:扩散应力的最大值主要处于电极颗粒的中心处。这主要是由于锂嵌入发生膨胀时，中心处受到的约束较大。在锂嵌入硅发生电化学反应后，由于反应物与产物体积差异，会导致体积变化及应力产生。通过数值分析发现电化学反应对电极的应力演化有重要的影响。 (2)建立空心球形电极颗粒的位错模型，得到了位错公式，分析位错应力在空心球体电极颗粒中的演化过程。位错应力能有效的降低拉应力，甚至将拉应力转变为压应力。进一步建立失配位错模型，研究在高密度位错区对扩散应力的影响。 (3)研究热扩散机制对空心球形纳米颗粒电极中应力变化的影响。在锂化过程中，我们深入了解随着半径变化受集中载荷和热导致体积膨胀导致的应力变化。随着温度的增加，径向应力的中间区域变化明显，而切向应力在空心球形电极的内部和外部的部分变化明显。当最大拉伸切向应力热量的减少量比临界断裂强度大得多时，可能会导致裂纹和断裂。 (4)基于密度泛函理论，使用第一性原理模拟不同锂离子浓度的锂化硅负极材料的性质。分析不同充电阶段，随着锂离子浓度变化锂化硅材料的应力应变变化曲线、形成能和孔隙率问题。通过模拟分析的结果发现锂化硅材料的力学性能与硅硅键、锂硅键和锂锂键在负极材料中的比重有重要的关系，为提升锂化硅材料机械性质提出了有效科学根据。