固态电解质电池锂枝晶生长机械应力-热力学相场模拟研究*耿晓彬李顶根†徐波(华中科技大学能源与动力工程学院,武汉430074)(2023年5月22日收到;2023年8月18日收到修改稿)固态电池中的锂枝晶生长问题是困扰其进行商业化应用的重要因素,锂枝晶在锂金属阳极界面的生长不仅会导致电池能量效率降低,甚至会产生燃烧、爆炸等安全问题.为了探究抑制锂枝晶生长的因素和方法,本文针对聚合物固态电解质电池中锂枝晶的生长问题,利用相场理论进行模拟研究,建立了耦合机械应力和热力场的锂枝晶生长相场模型,讨论分析了环境温度、固态电解质杨氏模量以及外应力等关键物理因素对枝晶生长的影响以及作用原理.结果显示在高温、高固体电解质杨氏模量和外应力条件下锂枝晶生长缓慢,长枝晶数量少,电沉积较为均匀.此外,对比了常见范围内的固态电解质杨氏模量和环境温度对锂枝晶生长的影响,发现固态电解质杨氏模量改变对于最大锂枝晶长度的抑制效果相对于改变环境温度要高出19%.关键词：固态电池,锂枝晶,相场模型,机械应力PACS：02.60.Cb,64.60.A–,81.10.Aj,81.30.BxDOI:10.7498/aps.72.202308241引言随着社会发展和科技进步,传统的锂离子电池已经无法满足人们对于电池高能量密度的要求,所以锂金属阳极因其高理论能量容量和低氧化还原电位,成为了下一代电池理想的阳极材料.但是锂金属阳极电池的工业化生产还面临诸多困难,其主要原因之一是阳极界面处锂枝晶的生长很难得到有效的控制,它的存在会使相界面稳定性变差,从而降低电池的循环寿命、库仑效率等,甚至会刺穿电池隔膜导致电池短路引发热失控等安全问题.因此如何抑制锂枝晶的生长便成为了电池安全研究领域中的重要课题,其中采用固态电解质来代替液态电解质便是有可能解决这一问题的潜在措施,因为固态电解质拥有良好的热稳定性和机械稳定性.此外,固态电解质还具有较宽的电化学反应窗口并兼容锂金属负极,可有效提高电池能量密度.对于锂枝晶的研究主要分为实验观察法以及多物理场建模研究,在实验研究方面主要是依靠原位和非原位显微镜[1]、扫描电子显微镜[2,3]、低温冷冻显微镜[4]等仪器来观察研究锂枝晶的微观结构以及电沉积溶解过程.其次是建立多物理场模型进行研究,Monroe和Newman[5]提出了一个Li-聚合物体系的电化学枝晶生长模型,并将枝晶尖端曲率的影响耦合到了生长模型中.然后,Akolkar[6]在此基础上考虑了电解质中浓度相关扩散系数的影响.但是这些模型将反应界面设置为边界,位置是相对固定的,很难有效地追踪界面在移动...
