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锂电负极枝晶深层原因:
在锂离子电池的充电过程中,随着负极电位不断变负,在一定条件下会引起金属锂在负极表面沉积的副反应。这一副反应不仅使电池性能下降,还限制了电池的快充容量,并有可能引起燃烧、爆炸等灾难性后果。
石墨的锂化可分为开路、锂嵌入、锂成核和锂生长4个阶段。(1)开路:在施加任何电流之前,Li+和e-与嵌入的Li处于平衡状态。(2)锂嵌入:当I<0的还原电流从外部施加(充电)时,嵌锂发生。这一期间,即使石墨的电位低于0, 嵌锂仍然比锂沉积更有利,因为热力学上嵌锂更有利,且动力学上锂沉积困难(需要克服形核能垒)。(3)锂成核:当石墨端面饱和时,锂沉积和嵌锂在热力学上同样有利,但嵌锂由于挤出效应(crowding effect)变得极为困难,电压的进一步下降使得系统有足够能量克服形核能垒,从而触发锂成核。(4)Li生长:一旦成核,随后在核上生长锂所需的活化能远小于成核,此时石墨表面的反应将以锂沉积为主。
锂沉积的发生与石墨中的相变密切相关,并且锂沉积仅在完全锂化的石墨颗粒的端面边缘发生
目前存在不同的假设来阐述石墨表面发生锂沉积的机制(图1B-1D),其中最常见机制从平衡热力学的角度去解释。当石墨电压低于0 V时,锂沉积在热力学上成为可能(图1B)。另一种假说认为,锂离子嵌入反应会消耗电解液中的锂离子,锂盐在电解液中的扩散小于施加的电流时,石墨表面锂盐被耗尽(cl→0),进而诱发锂沉积(图1C)。固相扩散限制假说认为,如果锂离子在石墨中的固体扩散比嵌入慢,则表面可以被嵌入的离子饱和,锂离子的进一步嵌入受到阻碍,发生锂沉积(图1D)。
锂沉积发生在完全锂化石墨边缘的表面上,起始电压远低于0V。通过探讨嵌入和沉积反应的能量和动力学,进而对实验结果给出了合理的解释。研究发现,固体扩散限制导致石墨颗粒表面锂离子的饱和,进一步诱导边缘平面锂沉积的发生。该研究揭示了石墨在锂沉积之前对大负电压的耐受性,锂沉积现象的物理原理以及锂沉积和插层反应之间的局部相互作用。在颗粒尺度上获得的基本见解为今后在多孔电极尺度上的工作奠定了基础。此外,通过对锂沉积过程中的精确建模和预测,为防止系统层面的镀锂提供了有价值的工具。