北京大学工学院彭雨粲团队建立用于探究热调控锂沉积机制的优化相场模型

传统的以石墨为负极材料的锂离子电池正在接近其理论的能量密度极限，然而现有的锂电池能量密度远未达到不断发展的储能市场需求，发展以高能锂金属作为负极材料的锂金属电池对未来储能市场具有重要的意义。然而，受限于其极高的活性，锂金属电池在运行过程中会出现严重的枝晶生长问题，极大降低了其运行寿命和安全性。温度场作为电池运行中最重要的物理场之一，其对枝晶生长过程具有重要的影响，但是其影响机制仍不清楚。为此，北京大学彭雨粲研究员团队构建了一套优化的相场模型，深入探究了不同温度条件对锂沉积的影响机制，为进一步探究温度调控稳定运行高能量密度锂金属电池提供了一项重要的工具。

图1. 温度影响锂沉积示意图

通过对相场模型的优化，研究团队引入了固态电解质界面（SEI）非晶结构对界面动力学速率和方向的限制以及原子扩散动力学，更精确地描述了锂金属电池运行过程内部动力学行为。团队通过模拟不同条件下单个锂枝晶的生长过程，证明了引入SEI非晶结构限制以及原子扩散动力学后，优化的相场模型能够更准确地模拟锂金属负极上的锂沉积行为，说明了模型优化的合理性和重要性。

图2. 不同条件下单枝晶生长形貌图

在构建优化相场模型后，为深入探究不同温度条件对锂沉积的调控机制，团队深入探究了固定温度下锂沉积形貌从致密苔藓状转变为枝晶状的过程及机制。通过模拟锂沉积形貌转变过程，团队解释了形貌的转变机制及其不可避免性，并说明了SEI对界面动力学速率与方向的限制在沉积形貌转变过程中发挥的重要作用。团队同时揭示了原子扩散动力学在沉积形貌转变过程中能够发挥积极作用，降低沉积形貌由苔藓状转变为枝晶状的临界界面浓度，进一步证明了模型优化的重要性。

图3. 锂沉积形貌转变机制图

在解释了锂沉积形貌转变机制后，团队深入探究了环境温度变化对锂沉积过程的影响机制。通过模拟不同环境温度下相同沉积量的锂沉积形貌，团队证明了温升有利于沉积形貌维持致密苔藓状结构，进而降低相界面面积，提升电池性能和寿命。在温度升高后，指数级增强的离子扩散动力学能够极大提升表面锂离子供应量，延缓达到SEI限制临界界面浓度的过程；相应增强的原子扩散则有利于维持最低比表面积，促进沉积结构愈合。两者的共同作用提升了沉积形貌转变为枝晶状所需的沉积量，有利于电池的稳定运行。

图4. 环境温度影响锂沉积形貌图

团队还探究了电池内部常见的局部热点对锂沉积形貌的影响。他们通过模拟不同热点结构作用下的锂沉积形貌差异，说明了通过分散局部热点能够抑制热点上方的局部枝晶生长，进而降低相界面面积，提升电池循环性能和寿命，降低枝晶穿透隔膜导致的热失控风险。

图5. 局部热点影响锂沉积形貌图

相关成果近期以“Lithium Deposition Mechanism under Different Thermal Conditions Unraveled via an Optimized Phase Field Model”为题发表于Nano letters。北京大学工学院博士生唐国威为论文第一作者，彭雨粲为通讯作者，论文合作者还包括西安交通大学航空航天学院教授许荣、西安交通大学航空航天学院博士生门立博以及北京大学工学院硕士生王依琳。国家自然科学基金委提供了重要支持。