锂电沉积过程中球形颗粒生长与动力学振荡
他们于 2 月 6 日在Energy Material Advances上发表了他们的工作。
“锂离子电池被认为是最有前途的下一代储能技术之一，”论文作者、西北工业大学非凡学院材料物理与化学教育部重点实验室副教授邢辉说。“充分了解电沉积过程中锂枝晶生长的动力学以抑制锂枝晶结构的生长在电池安全和储能领域具有重要意义。”
邢解释说，以前的研究表明，树枝状生长在很大程度上取决于球形颗粒的形成和生长动力学。因此，了解电沉积过程中锂金属颗粒的生长动力学对于设计锂金属电池的安全运行至关重要。
“Landau 提出的变换引入了一个坐标系，其中所有空间边界都是固定的，”邢说。“该理论已应用于包括涉及多于两相、多于一个相界和浓度依赖性扩散系数的情况。”
虽然新的坐标系使得控制方程的形式比原来的更加复杂。据 Xing 说，它简化了问题，因为现在所有的边界都是固定的。Landau 变换方法的优点是网格会自动调整自身以适应界面的运动，因此可以在界面附近预期存在大浓度梯度的地方引入更高分辨率。这可以在不影响其效率的情况下提高算法的准确性。
通过团队的数值模拟分析，邢说我们研究了球形粒子在电沉积过程中的基本生长动力学。结果表明，球形粒子的半径随时间单调变化，球形粒子的生长速率随时间动态振荡。在初始阶段，反应速率远小于离子传输速率，导致界面处离子浓度的积累。由于大的负浓度梯度，反应速率增加而传输速率降低。随着反应速率的增加和传输速率的降低，传输速率将超过反应速率，导致球形颗粒表面的离子浓度降低。表面离子浓度的降低导致离子传输体积的增加和电化学反应的减少。因此，迭代反馈系统保证了电沉积的稳定性。
“与施加的电势和表面阳离子浓度相关的电化学反应与与电势梯度和阳离子扩散系数相关的离子传输之间的竞争决定了电沉积过程中的生长动力学，”邢说。“振荡状态的出现意味着电沉积过程中存在竞争折衷，这促使我们进一步阐明电沉积过程中动态振荡状态的影响因素。”
“施加的电势和电解质溶液的初始浓度是电沉积过程中球形颗粒生长动力学的两个重要且常见的影响因素，”邢说。“扩散系数是影响电沉积过程中生长动力学的另一个重要动力学因素。在电解质溶液中，离子的扩散系数可以根据斯托克斯-爱因斯坦方程通过调节溶剂粘度来改变。”
数值结果表明，施加的电势差、电解质浓度和扩散系数是影响电沉积过程中动态振荡模式的因素。外加电位差和电解质浓度的增加都会导致球形颗粒的生长速度增加，而生长速度与扩散系数无关。此外，还发现生长速度的动态振荡的波长和振幅会受到施加的电势差、电解质浓度和扩散系数的影响。所以，
“应该注意的是，由于电势差相对较小，Butler-Volmer 方程中的驱动力项可以近似为我们的数值模拟，”邢说。“因此，应该在更大的应用电位范围内进行数值模拟，以研究生长动力学和振荡的非线性行为。”
邢还隶属于西北工业大学陕西基础学科(液体物理)研究中心。其他贡献者包括西北工业大学非凡下属材料物理与化学教育部重点实验室景涵旭和李博涵;韩永生，中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室。
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