枝晶生長
關注創建者：匿名 創建時間：2021-11-24
枝晶生長的視頻教程
基于Karma模型的凝固過程中枝晶生長的相場模擬（保姆級教程）
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枝晶生長的實例教程
comsol枝晶生長模擬考慮溶質場元素偏析
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鋰枝晶生長模擬，包括單枝晶、三枝晶和隨機形核模型，可供參考學習！
另外，采用20 DMSO 添加劑顯示出了高電鍍/剝離的庫倫效率（99.73%），較高的初始循環容量保持率（89.69%），顯著突出了DMSO添加劑在抑制枝晶生長和副反應方面的作用。
圖4. 20℃下DMSO混合電解質電池的電鍍/剝離行為。
SEM、XRD及DFT等手段進一步證實了DMSO在抑制鋅枝晶和副反應方面的作用。采用20 DMSO添加劑的Zn/Zn電池循環后鋅負極表面呈現無枝晶的六邊形結構。XRD也證實了循環過程中，Zn2+是沿著002晶面進行沉積，同時 DFT計算表明DMSO比H2O在002晶面上吸附能更高，誘導了Zn2+在002晶面上的沉積。值得一提的是，作者組裝了透明電池，直觀的展現出循環過程中使用20 DMSO的電池無氣泡和明顯的沉積物的形成。LSV和XRD結果也證實了DMSO添加劑對副反應的有效抑制。
圖5. DMSO添加劑抑制枝晶及副反應的機理研究。
采用20 DMSO添加劑的Zn/MnO2全電池在高電流密度（10 C）下展現出了極為優異的循環穩定性（3000 cycles）、高容量保留能力（140mA h g-1）及優越的倍率性能。
圖6. 20℃下使用20 DMSO電解液的Zn/MnO2全電池性能。
作者進一步研究了使用DMSO/H2O混合電解液的電池在低溫下的電化學性能。
展開 然而，鋰金屬電池充放電過程中的低庫侖效率（CE）和鋰枝晶生長導致電池循環壽命短，阻礙了其實際應用。近年來，人們發現鋰金屬電池失效的主要原因是庫倫效率低、活性鋰消耗或電解質耗盡，而低庫倫效率主要是由“死”鋰形成引起的，這與金屬鋰沉積形態有關。因此，研究控制鋰離子電鍍/剝離行為、減少非活性鋰沉積的方法對鋰金屬電池的實際應用具有重要意義。
上海交通大學和加拿大阿爾伯塔大學的科研人員通過聚合物界面自組裝和熱解工藝在銅箔上構建了氮氧共摻雜垂直碳納米片陣列(NOCA@Cu)，作為提高庫侖效率和抑制鋰枝晶生長的有效載體。得益于大量的垂直多孔通道和豐富的親鋰雜原子摻雜，三維結構NOCA@Cu在碳酸鹽電解液和乙 醚電解液中，能以可控的方式引導鋰的成核和生長，從而無鋰枝晶沉積，材料具有高庫倫效率和長循環壽命。有限元模擬進一步揭示了垂直碳陣列的結構功能，它不僅指導了有限空間的納米陣列中的鋰離子沉積，而且使整個三維電極中離子濃度和電場均勻分布。相關論文以題目為“N,O-Codoped Carbon Nanosheet Array Enabling Stable Lithium Metal Anode”發表在Advanced Functional Materials上。
原文鏈接：
https://doi-org.fjny.80599.net/10.1002/adfm.202102354
在本文中，作者通過聚合物界面自組裝和碳化在商用銅箔集流體上大面積涂覆聚合物衍生的氮氧共摻雜垂直排列的碳納米片陣列，其有效三維結構能得到安全和無鋰枝晶的鋰金屬電池。研究發現，銅表面聚合物層的不同取向模式（垂直或水平）對雜原子摻雜和衍生碳的拓撲缺陷有很大的影響。
展開 基于comsol的晶枝生長仿真
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（如KGT模型）模擬晶粒的形核、競爭生長、枝晶臂的發展以及晶粒碰撞。
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例如，鋰枝晶的生長演化、SEI膜的形成和破裂演化、正極顆粒在循環中的破裂、電池壽命預測、熱失控、以及電池組的電池狀態實施監測和管理等問題。這些問題涉及到電場、濃度場、力場和溫度場等多個物理場之間的耦合，很難通過單一的實驗表征手段對各個驅動力進行分別觀測，更難以給出多場耦合的綜合結果。
除此之外，浸潤飽和率不足還會導致負極鋰枝晶生長刺穿隔膜引發內短路，造成嚴重的熱安全事故［95］。
注液工藝對環境要求十分嚴苛，一般要求將未封裝的電池置于露點溫度-40 ℃以下的真空環境進行注液工藝，以防止注液過程中極片及電解液吸水產生副反應。一般企業將浸潤工藝的時間延長至數天以保證電解液對極片及隔膜的完全浸潤，極大地降低了電池的制造速率并增加了制造成本。
鋰金屬陽極的沉積/剝離過程與這些金屬的電沉積是一致的，而鋰枝晶的生長是由電極表面的鋰離子濃度不均勻引起的，因此磁場的MHD效應有助于解決這一問題。
Li+在磁場的作用下受到洛倫茲力的影響，促進其螺旋式移動并產生磁流體效應。這種策略減少了Li+的濃度梯度和濃度極化，從而抑制了樹枝狀物的生長，提供了一個均勻而密集的Li層。
Li+的擴散系數與磁場強度有關，它可以改善Li+的擴散。
電鍍消耗可逆鋰，減少陽極孔隙率和反應界面面積、枝晶形成和生長，這會導致內部短路。因此，改進對與電極微結構相關的電鍍傾向的機械理解、充電狀態(SOC)和充電速度對于先進材料和快速充電協議的設計和優化至關重要。由于跨多個長度尺度的復雜物理和化學過程，這在歷史上是具有挑戰性的。
4.3.3.鋰枝晶的形成和生長
鋰枝晶的成核和生長是鋰/SE 界面上最臭名昭著的問題。著名的 Monroe 和 Newman 模型 指出，如果 SPE 的剪切模量是金屬鋰的 2 倍（即根據實驗測量 和 DFT 計算 > ≈ 2 × 2.83-4.25 GPa），則理論上可以抑制鋰枝晶的生長。
此外，過量的鈉粉投入會促進鈉枝晶的生長，引發安全問題，因此金屬鈉 的使用量需要經過精確的計算。
