锂电池中锂枝晶的生成机理

      近日，美国圣路易斯华盛顿大学和麻省理工学院的Peng Bai(**作者，通讯作者)和Martin Z. Bazant(通讯作者)等人对液态电解液中金属Li枝晶的产生和生长机理进行了深入的研究，研究表明金属Li枝晶的生长存在三种机理：1)当电流密度低于*大限制电流的30%时，锂枝晶主要从根部生长，成为须状金属Li，其穿透能力较弱，能够被隔膜阻挡;2)当电流超过限制电流Jlim后，金属Li的沉积受到扩散环节的限制，金属Li主要在枝晶顶部沉积，锂枝晶的生长呈现鹿角状，细小的直径能够穿过隔膜上的微孔，引起短路;3)当电流密度介于两者之间时，金属Li的沉积速度较快，导致SEI膜从多个点位发生破碎，产生众多生长点，同时SEI膜未被破坏的位置仍然会产生须状枝晶，多种类型的锂枝晶会产生非常粗糙的金属锂界面。Peng Bai作者据此提出了金属Li负极的**边界，指导金属Li二次电池的设计。

      实验中Peng Bai设计了两种对称结构的锂离子电池用于研究锂枝晶的生长机理，**种为三明治结构，包含两个对称的金属Li片，中间的阳极氧化铝隔膜，以及用于密封的PVDF片(如下图A所示)，然后在两片金属Li片之间填充电解液。另外一种结构采用两个玻璃管，两个玻璃管开口正对，并以阳极氧化铝隔膜进行隔膜，两个玻璃管内填充金属Li，方便对金属锂的沉积过程进行原位观察。

     首先作者采用三明治结构的电池，在1mA/cm2的电流密度下进行Li沉积实验，该电池出现了一个非常快的电压升高曲线，通过解剖电池可以发现，这主要是因为工作电极上的金属Li逐渐被消耗殆尽，漏出了后面的不锈钢片，由于没有足够的Li的补充，导致电池极化增大，引起电压升高。为了解决Li数量不足的问题，PengBai在一侧放置了两片Li片，此时可以从下图B中能够看到快速上升的电压曲线消失了。从该实验能够看到，在1mA/cm2的电流密度下，金属Li能够实现大量沉积，而不会产生Li枝晶刺穿隔膜导致短路的问题。