鋰枝晶的形成機理及預防

枝晶鋰簡單的說就是當嵌入石墨的鋰量超過其容許量時，多餘的鋰離子會與來自負極的電子結合，開始沉積在負極表面。在給電池充電的過程中，來自外界的電壓和內部的鋰離子負極材料冒出到電解質介質中，鋰離子的電解質也在外界電壓差的情況下向碳層移動，由於石墨是層狀通道，鋰鋰會與碳一起進入通道形成碳化合物，形成LiCx(x=1~6)石墨層間化合物。鋰電池負極上的電化學反應可表示為：

在這個公式中，您有一個參數，即圖片，如果將這兩個參數加在一起，就會得到枝晶鋰。這裡有一個大家都熟悉的概念，石墨層間化合物。石墨層間化合物（GICs）是一種結晶化合物，其中非碳質反應物通過物理或化學手段插入石墨層中，與碳的六邊形網絡平面結合，同時保持石墨層狀結構。

商品：

枝晶鋰一般沉積在隔膜與負極的接觸位置。有拆電池經驗的同學，應該經常會發現隔膜上有一層灰色的物質。是的，那就是鋰。枝晶鋰是鋰離子接受電子後形成的鋰金屬。金屬鋰不能再形成鋰離子參與電池的充放電反應，導致電池容量下降。枝晶鋰從負極表面向隔膜生長。如果鋰金屬不斷沉積，最終會刺破隔膜，造成電池短路，造成電池安全問題。

影響因素：

影響枝晶鋰形成的主要因素有負極表面粗糙度、鋰離子濃度梯度和電流密度等。此外，SEI膜、電解質類型、溶質濃度和正極之間的有效距離。和負極都對枝晶鋰的形成有一定的影響。

1. 負表面粗糙度

負極表面的粗糙度影響枝晶鋰的形成，表面越粗糙越有利於枝晶鋰的形成。枝晶鋰的形成涉及電化學、晶體學、熱力學和動力學四大內容，在David R. Ely的文章中有詳細描述。

2、鋰離子濃度梯度及分佈

從正極材料逸出後，鋰離子穿過電解質和隔膜，在負極接收電子。在充電過程中，正極的鋰離子濃度逐漸升高，而負極的鋰離子濃度由於不斷接受電子而降低。在具有高電流密度的稀溶液中，離子濃度變為零。 Chazalviel和Chazalviel建立的模型表明，當離子濃度降低到0時，負極會形成局部空間電荷，形成枝晶結構。枝晶結構的生長速率與電解質中離子遷移速率的生長速率相同。

3. 電流密度

在鋰/聚合物系統中的枝晶生長一文中，作者認為枝晶鋰尖端的生長速度與電流密度密切相關，如下式所示：

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如果降低電流密度，枝晶鋰的生長可以在一定程度上延遲，如下圖所示：

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如何避免：

枝晶鋰的形成機制尚不清楚，但鋰金屬的生長模型多種多樣。根據枝晶鋰的形成及影響因素，可從以下幾個方面避免枝晶鋰的形成：

1、控制負極材料的表面平整度。

2. 負粒子的尺寸應小於臨界熱力學半徑。

3、控制電沉積的潤濕性。

4. 將電鍍電位限制在臨界值以下。另外，可以改進傳統的充放電機制，例如可以考慮脈沖模式。

5. 添加電解質添加劑，穩定負極電解質界面