锂离子电池是一类化学蓄电池的统称，这类化学电池的共同特点是包含晶格中镶嵌锂离子的正负极材料，以及无水电解质。正负极锂离子的化学能存在的差异，控制着电池的循环充放电过程。在充放电过程中，当电流流经电池时，锂离子在正负电极间来回传递，电能在 电极上被吸收或释放。
在消费电子产品中，由于锂离子电池具有很高的比能量密度、较高的比电池电压，以及重量轻等优点，目前已经成为应用最普遍的一种可充电电池。尽管与使用水电解质的同等电池相比，锂离子电池成本更昂贵，但人们仍然认为锂离子电池将在工业、交通运输和电力存 储中有非常普遍的应用。
模拟和仿真是促进理解原理、优化设计、 以及设计电池和电池系统自动控制的必要工具。在一个相对较低的成本范围内，它们可以考虑数目不受限制的设计参数和操作条件。实验研究只是用来对模型作必要的核查和验证。
20世纪90年代初，美国加州大学的 Newman 教授提出了可以实现锂离子电池性能的仿真的数学模型，这些模型建立在已被充分证明的电化学和动力学概念基础之上，描述了电池在运行中内部发生的一系列过程。从那时起，性能模型就被用来预测不同操作条件下不同电池内电池电压和其它参数。一个性能模型中应该包括带电组分和中性组分的输运、电流传导、流体流动、热量传递和多孔电极中的电化学反应等。
图给出了一个这样的性能模型的例子，它是对一个典型的应用于移动设备中的高能电池进行的仿真。模型中电池内部过程使用方程和材料属性来描述。这些材料属性是由精心设计的实验测得，通常通过理论模型也可以求得。对于电池制造商来说，在一个模型中也可以对几何参数进行优化。对于设备制造商来说，几何形状通常固化为模型的输入。在某些情况下，电池制造商甚至有可能不会透露几何形状，这时应用专家在模型建立之前就有可能不得不在开发电池前预先做好设计。
当锂离子电池放电完成后间歇片刻，然后进行充电，电池电压在间歇时通常是会发生变化。在放电过程中，由于锂离子在电极之间传递导致负极电解质盐浓度升高，正极浓度降低。因为在间歇期间颗粒和电解质中锂离子浓度分布会慢慢地变得均一，而且电池电压依赖于局部电解质盐浓度，因此电池电压也会缓慢的恢复至平衡电压。充电时过程正好相反，负极电解质盐浓度降低，正极浓度升高。性能模型的优点就在于它们可以找到并分析这些过程，从而找出各种电池性能受限的原因。这些模型也可以用来计算当电极的设计改变时能量和功率密度的变化情况，而且可以指导在电池单体的设计中如何利用电极材料。
与所有可充电电池一样，随着使用时间，锂离子电池也会出现容量损耗和内部电阻增加。一段时间后，如果电池无法传递所需的能量或电力，就必须更换。一个性能模型包括了与电池老化相关的反应。通过将实验结果和仿真相结合，可以预测不同操作条件下的电池使用寿命。根据仿真结果可以对操作条件进行适当设计和控制，从而能够避免电池的加速老化。
在设计电池单体和电池堆时，要考虑一个重要因素，那就是电池内热量的产生。热主要是由于电池内阻而产生的，比如焦耳热。使用一个基于物理过程的模型，比如前面提到的性能模型，我们可以从中直接得到不同热源。当设计单电池或电堆时，为了避免达到电极和电解质内分解反应的发生温度（>80 ℃），应当尽可能迅速地将热量耗散。通常分解反应是放热反应，这意味着一旦发生分解反应，温度就会持续升高。这种现象称为热失控，将导致电池损坏。在实验测试中，人们可以检测到电池表面的温度。使用热模型的优点是可以根据表面的测量值预测电池内部温度。这样就可以研究诸如内部短路等不良影响，由于内部短 路产生的热点可能是热失控的原因。
图是一个圆柱形被动空气冷却电池的热模型。电池放电时产生的热量通过对流和辐射的方式释放到周围环境中，其结果是电池中心部位的温度通常较高。当电池以较高的倍率放电时，电池中心与靠外区域之间的温度差增加，由于高温会加速老化过程，因此，靠近电池中心部位的电极材料比靠外区域电极材料老化的更快。
由于不均匀的电流分布将导致不均匀的产热，所以温度差异尤其体现在大体积电池中。而且电池的额定容量与温度相关，因此大体积电池的性能模型必须包括热量的产生。当形成内部短路模型时，电池的热模型也通常用于启动块，此时局部热量是由不希望发生的化学反应产生。不均匀的温度分布也可能发生在电堆和模块级别。为了防止这种现象的发生，通常使用热管理系统。电池温度是由空气流动或液体流动所控制的。从一个热管理系统中得到的仿真结果，电池由液体冷却。热管理系统模型通常包括电池内的热产生，冷却液体的流动，电池堆中的热传。冷却的效率受电池尺寸与冷却系统尺寸之比、热管理系统设计的影响。热管理系统模型在电堆的开发中至关重要，因为它允许在相对低成本条件下，为大量的设计方案和电池尺寸给予可靠的评价。对于电池制造商和使用者来说，能够提供可靠的说明书对安全操作的温度区间进行说明也是非常重要的。举例来说，即使发生内部短路，也可通过仔细测量和控制电池或电堆表面的温度来防止发生热失控。
