摘要：可充电电池已被广泛应用于电动汽车等国家重点战略发展领域,然而在电池反复的充放电过程中,金属离子的不均匀沉积会导致电极表面枝晶生长,电池可逆容量降低和内部短路。枝晶的形成是极其复杂的过程,涉及到电化学、热力学、动力学和结晶学等多个学科,并受到充电条件、压应力、电池组分、温度、磁场等多重因素的影响。本文系统剖析了枝晶成核和生长过程中涉及到的理论模型,全面回顾了相场模拟在可充电电池枝晶问题中的研究进展,重点讨论充电条件、应力、外压及离子分布等因素对枝晶生长的影响,给出了电化学相场模拟在电池枝晶领域的研究范式。进而采用相场模拟研究了隔膜涂覆颗粒对电极表面离子浓度分布及枝晶生长均匀性的影响,为抑制枝晶隔膜的设计提供了理论依据。最后指明了相场模拟在枝晶研究方面的不足及未来重要的研究方向。

摘要：电池内部不可控的枝晶生长问题严重地影响着电池的循环性能和安全性能,这对于锂金属电池的实际应用是一个严峻的挑战。尽管已有较多的实验和理论研究工作聚焦于电极间锂离子各向异性输运特性对枝晶形貌的影响,但仍有一些开放性的问题有待进一步研究,例如,如何将枝晶生长的动态演变与电解液性质、电势分布或隔膜多孔结构诱导的锂离子各向异性输运关联起来。我们通过将锂离子在电解液中的扩散系数(D_(L))表示为二阶张量的形式并进行相场模拟,发现D_(yy):D_(xx)比值的增加,以及电势诱导的电极/电解液界面锂离子快速扩散层均可以降低界面处锂离子浓度梯度和电势梯度,从而减弱枝晶生长的驱动力。我们还发现隔膜基体与y方向之间夹角的增大也会显著促进电解质中的锂离子各向异性输运特性,以利于抑制枝晶生长。籍此本文提出设计D_(yy):D_(xx)=10:1的电解液和基体倾斜角为arctan(0.5)的隔膜用于锂金属电池。该相场研究有望为设计具有抑制枝晶能力的电解质或隔膜提供指导。