离子嵌入活性颗粒化学力学中的形貌-性质相互作用

形貌、材料性质和力学约束共同控制着离子嵌入颗粒的化学力学行为，然而它们的耦合效应仍未得到充分理解。在此，我们建立了一个热力学一致的单颗粒框架，并将解析解与多物理场模拟相结合，以确定这些因素如何调控锂化和应力产生。我们研究了在完全约束、内表面自由或无约束边界条件下，具有各向同性或横观各向同性材料性质的空心球形、圆柱形和椭球形颗粒。我们表明，瞬态锂化路径以及相关的应力和应变场并非仅由形貌、性质或约束单独决定，而是由它们的耦合相互作用决定：各向同性颗粒对力学约束敏感，而横观各向同性颗粒则表现出由各向异性扩散率主导的持续非均匀锂化。通量分解分析揭示，锂通量中的力学贡献在球体中可忽略不计，但在椭球体中占主导地位。相关性分析进一步表明，锂浓度与体积应变在无约束颗粒中表现出强负相关，而在完全约束下则相关性较弱。对空心椭球体的贝叶斯优化确定了帕累托最优形貌，可在锂化容量与峰值拉应力之间取得平衡。这些结果为嵌入颗粒中的形貌-性质相互作用提供了一个统一框架，并为化学力学稳定性提供了形貌设计原则。