升温和脉冲充电对锂枝晶生长抑制作用的数值分析

金属锂被认为是具有高理论比容量的电池负极材料。然而,锂枝晶的生长可能会连接正负极导致爆炸等事故。因此,抑制锂枝晶对提高锂电池的安全性至关重要。本工作通过非线性相场模型与热模型耦合,首先探究了不同初始条件下的锂枝晶形貌及其温度场分布。由于反应放热,随着反应的进行,锂枝晶区域的温度高于电解质区域的温度,并在二者界面处形成温度梯度。然后,研究了不同温度下锂枝晶的形貌特征并量化了抑制效果。研究发现,温度越低,充电过程中生成的锂枝晶越长,数目越多,侧枝越多,从而在放电过程中形成“死锂”的可能性越大。通过改变脉冲电流的频率,分析了不同充电频率下的枝晶长度和形貌特征。研究结果表明,5 ms的脉冲之后接10 ms的休息周期是抑制锂枝晶的合适频率,在此频率下可以得到较为均匀的沉积表面。通过探究在不同过电位和扩散系数下的枝晶平均生长速率,引入了一个无量纲数Da来阐明扩散与电极反应之间的竞争关系,得出减小反应速率和扩散速率之间的差距是抑制锂枝晶的必要条件。