三单位联合AEM：扩散限制电流密度-锂金属负极电沉积的分水岭

锂金属因其高理论容量和低还原电位而被认为是一种很有前景的高能量密度可充电池负极材料。然而，锂负极的实际应用受到循环性能差和潜在安全隐患的挑战，这归因于充电过程中锂金属的不均匀电沉积。

查尔姆斯理工大学熊仕昭、莫斯科物理技术学院刘洋洋、莫斯科罗蒙诺索夫国立大学Olesya O. Kapitanova等基于控制电化学反应过程的关键基本参数-扩散限制电流密度（DLCD），研究了锂电沉积的电流密度阈值。

图1 不同电流密度下：被SEI膜覆盖的基板附近的锂离子浓度场和相应的电场；Li-SEI界面的法拉第电流密度分布；电沉积锂顶部的FCD差异

这项工作基于Butler-Volmer方程，通过相场模拟，观察了在0.5到3.0mA cm^–2的一系列施加电流密度(ACD)下，锂在具有SEI膜的矩形基板上的电沉积行为，以及锂离子浓度场和相关法拉第电流密度（FCD）的演变。结合不同ACD下SEI断裂前后Li的电沉积，作者发现当ACD低于特定电化学体系的DLCD时，可以实现均匀的电沉积。

一方面，ACD大于DLCD时会在基底上产生不均匀的锂离子浓度场，以及局部区域FCD的显著差异。另一方面，由于不均匀电沉积引起的界面几何波动，Li上的SEI膜发生破裂，随后锂的电沉积会发生在穿孔内部，然后从SEI膜中生长出来，并与相邻的锂微结构结合，导致SEI碎片埋在锂金属负极内，以及新鲜锂暴露在电解液中。

图2 电沉积过程中不同锂形态下FCD的演变

因此，DLCD是锂电沉积均匀性的关键参数，这由电极附近锂离子的传质过程决定。加速锂离子的传质以延缓其在锂金属负极附近的耗尽可能是改善某些电化学系统DLCD的有效途径，因此增加DLCD的方式可以总结如下：

i）增加电解液中锂离子的浓度，

ii）促进锂离子在电极附近的扩散，例如设计具有更高离子导电性的SEI膜，降低电解液的动态粘度或提高运行温度，

iii）降低电极的弯曲度，以延缓锂离子在电极上的耗尽。这项工作为锂金属负极在高能量密度电池中的实际应用铺平了道路。

图3 锂形态的演变

Diffusion Limited Current Density: A Watershed in Electrodeposition of Lithium Metal Anode. Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202200244

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三单位联合AEM：扩散限制电流密度-锂金属负极电沉积的分水岭

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