基于锂金属阳极的可充电电池因其极高的理论容量（3860 mAh g?1）、较低的氧化还原电位（?3.04?V，相对于标准氢电极）和较低的密度（0.53?g?cm?3）[1,2]，越来越被视为传统锂离子电池的有希望的替代品。然而，尽管具有这些优点，锂金属阳极的实际发展仍受到不可控的锂枝晶生长的阻碍[3,4]。这些针状突起在循环过程中可能会穿透隔膜，引发内部短路并带来严重的安全风险[5]。此外，由于锂沉积和剥离的不均匀性导致的反复膨胀和收缩，会导致电化学隔离的死锂（不再参与电化学反应的金属锂）的积累，最终降低电池的库仑效率和可用容量[[6], [7], [8], [9], [10]]。因此，缓解枝晶生长和死锂形成的这些问题对于实现稳定、高性能的锂金属电池至关重要。
在过去的几十年中，已经提出了许多策略来抑制锂枝晶的形成并减轻锂金属电池中的容量降解[11]。例如，人工SEI涂层被用来保护锂表面并调节锂离子的流动[12,13]。然而，沉积和剥离过程中的显著体积变化常常会导致这些保护层的开裂和分层[14]。三维电流集流体被设计用来通过提供更大的表面积和丰富的成核位点来适应这些体积波动[15,16]，但它们无法储存锂并且容易捕获残留的电解质，这限制了它们的长期有效性[17,18]。电解质添加剂也被探索用来增强SEI机制并稳定沉积[19,20]，但由于对机制理解的不完整以及这些添加剂在循环过程中的逐渐消耗，进展仍然受到限制[21]。其他方法，包括表面改性技术[22,23]、固态电解质[24,25]和外部施加的压力[26,27]，显示出改善锂沉积行为的潜力，但没有一种方法能够在实际设备操作条件下完全防止枝晶的生长。这种持续的性能差距突显了需要更深入的、基于物理学的理解来解释控制枝晶演变的过程[28,29]。
实验方法，包括各种原位分析技术，旨在直接追踪锂的沉积和剥离过程，但由于锂的极端反应性，它们的分辨率受到限制，通常需要超高真空环境或低温条件才能进行可靠的观察[[30], [31], [32], [33]]。最近在锂金属阳极设计方面的进展表明，界面工程和电解质优化可以有效调节锂沉积行为并抑制枝晶生长，为理解锂金属稳定性提供了重要见解[[34], [35], [36]]。来自分子动力学[37]、粗粒化蒙特卡罗模拟[38]到相场[39]、水平集[40]和有限元框架[41]的最新计算进展，提供了关于锂电沉积行为的多尺度见解。最近的综述研究强调，将原位/操作过程中的表征与相场建模相结合对于全面理解锂枝晶演变至关重要[42]。这些综合方法能够实时观察枝晶动态，同时提供对耦合电化学和传输过程的机制洞察，从而提高计算模型的预测能力。特别是，有限元和多尺度建模方法被广泛用于描述锂金属电池的宏观电化学行为、离子传输和电池级响应[43,44]。这些方法通过捕捉连续尺度现象，为介观尺度形态演变和宏观电化学行为之间提供了自然的桥梁，而相场框架特别适合解决界面形态演变、枝晶生长和死锂形成的问题。因此，相场方法已成为捕捉时间依赖的界面演变和枝晶形态的强大工具[45,46]。包含Butler-Volmer反应动力学的非线性相场公式进一步揭示了施加电压、表面粗糙度和外部压力如何影响枝晶生长模式[47,48]。这些模型展示了在高沉积速率下从苔藓状到分形状结构的多种形态转变[49]，甚至在考虑异质SEI分布时还出现了刷状生长[50]。尽管有这些进展，大多数研究主要集中在锂沉积上，而在剥离过程中控制死锂形成的机制仍然相对较少被探索[51,52]。更重要的是，传统的相场公式无法明确区分电化学隔离的死锂和活性锂，因为两者都在同一个相变量中表示。这一限制阻碍了降解过程的直接量化，并限制了在重复循环过程中对降解演变的机制预测和分析。
在这项研究中，我们开发了一个具有连通性意识的多相相场框架，能够在重复的充放电循环中明确识别和动态追踪死锂。通过引入基于连通性的标准，该模型能够区分电化学隔离的锂和活性锂，并允许直接量化关键的降解指标，包括活性锂容量、死锂积累、枝晶层厚度以及与传输相关的属性，如迂曲度。
利用这种方法，我们系统地研究了操作条件（C率）和关键材料属性（SEI稳定性和表面能各向异性）如何控制重复充放电循环中的枝晶生长和降解演变。所提出的框架提供了对形态演变、传输限制和死锂积累之间相互作用的定量和机制理解，为锂金属阳极的降解路径的机制预测和分析提供了框架。
