Dead lithium formation in lith

相场模型下研究死理形成镀锂过程480.0s时的锂枝晶形貌作为放电提锂过程的初始形貌，模拟了恒电流提锂过程中死锂的形成。

Dead lithium formation in lithium metal batteries: A phase field model

• SCI
• 作者：张瑞a、b、沈欣c、张宇彤a、b、钟夏林c、居浩天c、黄天晓c、陈翔c、张俊东c、黄家琦a、b
• Abstract
  • 期望：锂金属电池是下一代高能量密度电池最有前途的选择
  • 不足点：1.锂电镀过程中锂枝晶的生长 2.锂析出过程中死锂（非活性锂的主要成分）的形成机理
  • 研究方向：在相场模型来描述死锂形成的锂剥离过程。
  • 研究过程：揭示了影响死锂形成的放电极化增加的因素
  • 模拟类型：1.电池极化曲线模拟 2.容量损失峰模拟 3.库仑效率模拟
  • 附加方法：恒电流条件的耦合 补充：恒电流充放电（知识点补充点）---三电极
• Introduction
  • 问题：金属锂负极的不稳定性（金属锂电镀和剥离过程中存在的不稳定锂枝晶和死锂，通常形成不稳定的SEI（solid电解质界面），使金属锂电池面临循环效率低、循环寿命短甚至安全隐患等挑战）
  • 研究切入点：锂电镀和剥离不可控（想去控制它）
  • 锂电镀过程
    • 锂枝晶生长
      • sei不稳定+锂离子在电解质中迁移速率慢）
  • 锂剥离过程
    • 产生死理
      • 原因：锂枝晶溶解不均匀，部分金属锂（死理）从块状金属锂阳极中分离出来
      • 影响：死锂会不可逆的损失电池循环容量，降低其库伦效率
  • 实验方法＋模型
    • 其他实验方法：
      • 原位光学显微镜
      • 核磁共振
      • 非原位扫描
      • 滴定气相色谱
    • 相关模型
      • 目的：研究锂金属电池循环过程的机理
      • 密度泛函理论(DFT)
      • 分子动力学(MD)模拟
      • 蒙特卡罗(MC)方法
      • 有限元方法(FEM)
      • 相场方法(PFM)
        • 在介观尺度上精确跟踪相变界面演化
  • 文献创新点
    • 首次建立了具有死锂生成的锂剥离过程的相场模型。
    • 首次采用相场模型模拟了锂金属阳极的恒电流充放电过程
• Modeling method
  • 子主题
• Results and discussion
  • 树枝状的镀锂形态
    • 死锂产生的条件
    • 由恒电流镀锂相场模型生成+噪声项, 目的：可以模拟出厚度不一致、随机分叉和随机扭结的树状锂金属枝晶
  • 镀锂过程480.0s时的锂枝晶形貌作为放电提锂过程的初始形貌，模拟了恒电流提锂过程中死锂的形成
  • 选取锂枝晶初始形貌
    • 目的：作为放电时锂剥离
    • 选取状态：锂电镀过程的480.0s
  • 图示一
    • 锂剥离放电过程
  • 图示二
    • 引入的活性态函数区分活性锂和死锂
      • 图示特点： 1.死锂的产生首先从顶部开始，因为枝晶尖端的锂金属远离底部集流体，而不均匀的锂溶解过程很容易在枝晶腰部呈现多个溶解位。
  • 图示三
    • 锂剥离过程各区域电位关系
      • 图示特点：死锂的静电电位将与周围液体电解质的电位一致
      • 补充知识点： 1.由于锂金属的高导电性，每一块死锂的内部电位在任何地方都是一致的。 2.在恒电流放电条件下，当死锂形成时，活性锂的表面积会突然减小，使得局部面积反应速率突然增大
  • 图示四
    • 锂剥离过程活性过电位关系图
      • 图示特点： 1.当120.0s没有死锂形成时，平均活化过电位只有约2 mV。 2.当在280.0s形成少量死锂时，平均活化过电位增加到4 mV左右。 3.当在360.0s形成大量死锂时，活性表面积大大减小，活化过电位增加到10 mV以上。
  • 图示五
    • 锂剥离过程锂离子浓度变化图
      • 图示特点： 锂剥离过程中，锂枝晶周围的锂离子浓度会迅速增加 在相同活化过电位下，锂离子浓度的增加减缓了金属锂的溶解反应速率 自己观察图示所得结论： 在相同活化过电位下，可以清楚发现每个时间点，锂离子浓度颜色由深变浅
  • 图示六
    • 锂剥离过程死锂形成与活性过电位、总电压的关系
      • 图示特点： 8块死理选取标准：取最大 首块死锂形成时间：250.5s 选取时间点：300s（4块）、400s（4块） 死锂形成与电压关系： 结合a、b、c图观察，死理形成时对应时间段有明显的电压升高且越接近放电结束，电压波动越大。 自己疑惑点：为什么会电压升高
• 补充知识点
  • 1.锂电池的充放电过程便是锂的电镀和剥离过程，其运动过程为：锂电池充电过程，锂电池的正极优锂离子产生，生成的锂离子经过电解液运动到负极，负极的碳显层状结构，有很多微孔，到达负极的锂离子嵌入到碳层的微孔中，嵌入越多，充电容量越高；同样，电池进行放电时，嵌入负极碳层的；锂离子脱出，运动回正级，回正级的锂离子越多，放电容量越高。（注意：放电时锂离子不能全部移向正极，必须保留一部分锂离子在负极，以保证在下次充电时锂离子能够畅通地进入通道，否则，电池的寿命缩短。）
  • 电池极化： 电池的极化现象是当电池有电流通过时，使电极偏离了平衡电极电位的现象。 根据极化产生的原因，极化可以分成三种：电化学极化、浓度极化和欧姆极化。 1、电化学极化是由各种类型的电化学本身不可逆引起的极化。 2、浓度极化是由于反应物消耗引起电极表面得不到及时补充，例如氢在电池正极的积累，导致电极电势偏离通电前按总体浓度计算的平均值。 3、欧姆极化是由于电解液、电极材料以及导电材料之间存在的接触电阻所引起的极化。