锂金属电池枝晶生长及其抑制机理

锂金属被认为是锂电池负极材料最理想的选择之一,具有较高的理论容量(3860 mA∙h/g)和最低的负还原电位(−3.040 V(vs SHE))等优点。然而在充电过程中易在负极表面生长出锂枝晶,导致电池短路和降低电池利用效率。尽管大量研究已获得了枝晶的有效抑制方法,但枝晶生长和抑制机理仍不明确。本文系统讨论了锂金属负极材料表面枝晶生长机理以及表面特性、电化学性质对枝晶生长的影响机理。首先基于相场法建立了锂枝晶生长模型,并通过实验验证了模型的准确性;然后结合数学模型和电化学实验,研究了枝晶初始成核间距、表面能各向异性强度、界面电化学驱动力等因素对锂枝晶生长的影响规律。结果表明:小的初始成核间距和低界面能各向异性强度均可降低负极锂金属沉积表面粗糙度,从而抑制锂枝晶生长;锂枝晶生长受界面电化学驱动力影响,降低成核过电位可有效抑制锂枝晶生长。