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COMSOL多孔疏锂模型研究：提升锂沉积均匀性的仿真探索
在当前锂金属电池的研究中，锂沉积的均匀性被认为是影响电池循环寿命与安全性能的关键因素之一。不均匀的锂沉积容易引发锂枝晶生长，可能导致内部短路、热失控等严重问题。因此，如何有效调控锂的沉积行为，成为该领域的重要课题。
通过文献调研，我发现“多孔疏锂模型”为解决这一问题提供了新的思路。该模型利用具有特定结构的多孔材料作为沉积基底，引导锂离子在空间上的分布，从而抑制枝晶生成。为了深入理解其作用机制，我选择使用COMSOL Multiphysics进行三维数值模拟，以实现对锂沉积过程的可视化与定量分析。
三维多孔结构建模
在COMSOL平台中，构建了一个由规则球形孔洞组成的多孔介质模型。该结构采用参数化设计，便于后续对关键几何参数进行系统性调整。其中，孔隙率（P）和单个孔径（r）被设定为核心变量。
孔隙率直接影响电解液中锂离子的传输路径与浓度梯度分布，而孔径则限定了锂沉积可用的空间范围。通过调节这两个参数，可以探究其对局部电流密度分布及沉积形貌的影响规律。
创建几何结构：
1. 新建COMSOL项目，选择电化学模块；
2. 设定多孔结构的孔隙率为P，孔径为r，间距为d；
3. 使用参数化功能，设定r = 10 ?m，d = 20 ?m，P = 0.5；
4. 生成多孔结构网格；边界条件设置与沉积动力学建模
在模拟过程中，将多孔结构的内表面定义为锂沉积反应发生的活性区域，并在此处引入电化学动力学方程。锂的沉积速率主要受控于界面电流密度和锂离子在电解质中的扩散能力。
外部边界施加恒定电势，模拟实际充放电过程中的极化条件。同时，在电解液域中求解传质方程，耦合电场与浓度场，实现多物理场协同仿真。
电流密度公式：
i = -k * (L - L0) * c
其中，k是传质系数，L是锂浓度，L0是平衡浓度，c是浓度梯度。模拟结果与实验对比分析
仿真结果显示，多孔结构能够显著引导锂的沉积方向。在较高电流密度条件下，锂倾向于优先沉积于孔洞底部，表现出明显的空间选择性，而非随机成核生长。
这一现象与此前实验中观察到的结果高度一致——当采用类似多孔模板时，锂沉积层的均匀性和致密性均有明显提升。模拟与实验的良好吻合验证了模型的有效性，也为后续优化设计提供了理论支持。
模型局限性与改进方向
尽管当前模型已能较好地反映基本沉积行为，但仍存在若干理想化假设需进一步修正。例如，模型中假设孔隙分布完全均匀，而实际材料往往具有随机性与异质性。未来可引入更接近真实材料的随机孔隙结构或基于CT图像重建的微观模型，以增强仿真真实性。
此外，锂沉积伴随显著的体积变化，可能引起应力积累与结构变形。目前模型尚未考虑此力学响应。下一步可通过引入固体力学模块，耦合体积膨胀效应，建立更全面的力-电-化学耦合模型。
总结与展望
借助COMSOL构建的多孔疏锂模型，不仅加深了我对锂沉积机理的理解，也展示了仿真技术在材料设计中的指导价值。该模型可为新型集流体或人工SEI层的结构优化提供量化依据。
未来工作将聚焦于多尺度建模与实验验证相结合，推动从理论模拟到实际应用的转化，助力高安全性锂金属电池的研发进程。
京公网安备 11010802022788号
