青能所崔光磊/杜奥冰/董杉木AM：镁金属负极均匀沉积行为的视角：扩散限制理论与成核理论

使用金属负极是满足高能量密度可充电电池迫切需求最有吸引力的方法。不幸的是，锂离子不均匀的沉积行为会诱发枝晶生长进而严重威胁电池安全。为了探索不同沉积行为的根源并预测各种操作条件下负极的沉积形态，人们开发了多种模型。然而，模型的滥用导致观点的冲突。

在此，中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊、杜奥冰、董杉木等人从模型角度出发，为了验证有关镁（Mg）金属沉积行为有的争议报告，详细阐述了先前所提出控制沉积过程的模型。通过研究各种模型间的相互关系，提出了一种实现最致密和均匀镀层形貌的策略，进而解释了均匀镀层的扩散限制理论和成核理论看似矛盾的问题。

图1. Mg沉积过程示意图以及指导沉积理论

总之，该工作详细阐明了液态Mg金属电池中Mg沉积过程的各个阶段以及各阶段的外部影响因素对Mg沉积的影响。一般来说，成核理论认为较大的电流密度（过电位）会导致较小的晶体成核尺寸和较高的成核密度。相反，参考扩散受限模型和Sand模型，在电化学储能电池中大电流会诱发不良的沉积行为。作者认为问题的关键在于混淆了不同模型之间的界限，并绘制了一幅蓝图来描述沉积形态随电流密度和容量的演变以及不同模型之间的关系，从而为设定操作参数提供指导。

此外，作者指出”动力学控制区”和”扩散控制区”之间的”扩散控制缓冲区”，即电流密度超过限定值，但时间尚未达到 Sand 的时间。根据理论计算和实验数据作者认为在这一缓冲区内可以获得致密均匀的Mg沉积层，同时可以避免枝晶的产生，甚至在 “扩散控制缓冲区 “和 “扩散控制区 “的边界附近会出现最佳沉积。只有当施加的电流密度超过限定值时，这一非客观边界才会被视为Sand时间。因此，该工作将有助于基于Mg金属负极的电池设计，以及提高各种金属负极利用率的操作参数。

图2. 不同电流密度下Mg沉积物的俯视图和横截面SEM

A Perspective on Uniform Plating Behavior of Mg Metal Anode: Diffusion Limited Theory versus Nucleation Theory, Advanced Materials 2023 DOI: 10.1002/adma.202306395

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