揭示锂枝晶与SEI界面机械相互作用的动态相场模型研究

推荐段落 本文针对锂金属电池中SEI（固体电解质界面）移动和机械应力如何影响锂枝晶生长的机制不明问题，开发了首个连续介质机械电化学相场Li-SEI模型。研究通过显式处理SEI机械边界条件，自洽地捕捉了SEI动态移动、应力分布、界面过电位和锂枝晶形貌演化。结果表明，非均匀锂沉积驱动SEI应力集中，揭示了SEI均匀性质和初始平坦锂表面对抑制枝晶的关键作用，为高性能电池设计提供理论指导。

　　

论文解读文章

在能源存储领域，锂金属电池凭借其超高理论容量（3860 mAh g^-1）和低还原电位（?3.04 V vs. 标准氢电极），被视为下一代电动汽车的理想电源。然而，锂金属阳极在反复充放电过程中，表面会形成尖锐的锂枝晶（Li dendrite），这不仅穿透隔膜导致内部短路，还伴随固体电解质界面（Solid-Electrolyte Interphase, SEI）的破裂和再生，造成库仑效率下降和电池循环寿命缩短。Kim等学者指出，该领域正处于商业化转型的关键节点，积累的基础知识亟待转化为工程应用；Wang等则强调，SEI作为调控锂电沉积/溶解行为的单离子导体，其机械稳定性是抑制枝晶的核心，但SEI如何在动态过程中移动、产生应力并影响枝晶生长，仍是未解之谜。以往研究虽通过人工SEI、无机复合SEI等工程手段尝试提升SEI力学性能，但均未根本解决，原因在于缺乏对Li-SEI机械相互作用的动态量化模型。实验技术如扫描电镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）虽能分析SEI形貌和组分，却难以实时观测动态应力分布；而分子动力学（MD）和密度泛函理论（DFT）计算又受限于尺度（仅达纳米级），无法捕捉微米级锂枝晶演化。这种知识空白严重阻碍了高安全性、长寿命锂金属电池的商业化进程。

为填补这一空白，来自密歇根大学迪尔伯恩分校的研究人员开展了创新研究，开发了一套连续介质机械电化学相场Li-SEI模型，首次自洽地预测了锂枝晶生长与SEI的动态机械相互作用。该模型通过将相场扩散界面转化为显式SEI机械边界条件，揭示了非均匀锂沉积如何驱动SEI移动和应力集中，并提出SEI均匀性质和初始平坦锂表面是抑制枝晶的关键。研究结论显示，该模型成功量化了SEI应力分布对界面稳定性的影响，为SEI工程提供了设计原则，显著提升电池性能。相关成果发表在《Journal of Energy Storage》上。

在技术方法上，研究人员主要采用了三个关键手段：首先，构建相场模型（Phase-field model），定义无量纲序参量ξ描述锂枝晶电沉积过程，通过总吉布斯自由能变分方程模拟锂金属（ξ=1）与电解质（ξ=0）的界面演化；其次，建立SEI机械模型，基于锂沉积速度差驱动SEI移动和变形，通过有限元方法求解线性弹性方程，考虑SEI厚度、Young's模量和Poisson比；最后，结合数值模拟，利用COMSOL等多物理场平台实现电化学-机械耦合计算，并设计四组对比案例（如均匀 vs. 非均匀沉积、SEI异质性分析）以验证模型。所有模拟参数均源自实验数据，如SEI厚度30 nm和Young's模量24.6 GPa。

研究结果部分通过以下标题组织内容：

• Phase-field Li-dendrite model：基于非线性相场方程，模拟了锂枝晶生长过程。研究发现，通过定义ξ序参量和总吉布斯自由能，模型能准确描述电沉积驱动的枝晶形貌演化，捕捉界面扩散和电化学过电位的影响，为非均匀生长分析奠定基础。

• Li deposition inducing moving and mechanical stress of SEI layer：通过比较均匀和非均匀锂沉积案例，揭示了SEI移动和应力机制。模拟表明，均匀沉积仅导致SEI整体平移，而非均匀沉积（如枝晶尖端快速生长）产生速度差，驱动SEI局部变形和应力集中（最高达GPa级），验证了实验观察的SEI断裂多发生于枝晶尖端与根部之间。

• Conclusion：归纳模型核心发现，强调SEI机械变形由锂枝晶非均匀生长速度差驱动。结论指出，该模型首次实现了Li-SEI动态相互作用的连续介质描述，提出SEI均匀化学性质、高扩散系数和初始平坦锂表面可有效降低应力集中和界面不稳定性，为优化SEI设计（如人工SEI或梯度SEI）提供理论依据。

研究结论和讨论部分强调，该连续介质机械电化学相场模型不仅解决了SEI移动和应力生成的动态机制问题，还量化了关键参数的影响：例如，SEI扩散系数和离子电导率的提升可减轻界面非均匀性；Young's模量的增加（如通过无机复合SEI）能抑制应力诱导的裂纹；而SEI厚度或扩散系数的异质性会加剧局部失效风险。这些发现对推动锂金属电池商业化至关重要——通过指导SEI工程（如设计高模