调控外加过电位抑制锂枝晶的相场模拟与机理研究

为解决锂金属电池(LMBs)中锂枝晶生长引发的安全风险，研究人员通过相场模拟(phase-field)探究了调控外加过电位(?)对枝晶形貌的动态影响。研究发现，将过电位从-0.45 V调整为-0.1 V可诱导枝晶顶部异常溶解而底部持续生长，实现电极表面"再平坦化"(re-flattening)，且充电容量损失可忽略。该成果为平衡电池安全性与充电效率提供了低成本解决方案。

　　

锂金属负极因其3860 mAh g^?1
的超高理论容量被视为下一代电池的"圣杯"，但枝晶生长导致的短路风险始终是商业化应用的"阿喀琉斯之踵"。传统抑制方法如结构改造或外部施压往往成本高昂且难以普及，而单纯降低过电位又会牺牲充电速率。如何在不显著影响电池性能的前提下实现枝晶可控生长，成为领域内亟待突破的科学难题。

香港量子人工智能实验室的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表研究，创新性地通过非线性相场模型(non-linear phase field model)揭示了过电位动态调控对枝晶形貌的调控机制。该研究基于Marcus动力学和扩散界面理论，构建了包含Li⁺
浓度场与电势场的多物理场耦合模型，首次定量阐释了"上坡扩散"(uphill diffusion)诱导的枝晶自修复现象。

关键技术方法
采用基于相场理论的扩散界面模型(diffuse interface model)替代传统尖锐界面，耦合Butler-Volmer方程描述电化学反应动力学；通过有限元方法求解Li⁺
浓度场与电势场的耦合偏微分方程；设置-0.45 V至-0.1 V的阶跃过电位边界条件模拟实际充放电过程；引入序参数ξ定量表征金属/电解液界面演化。

相场模型
模型简化了SEI（固体电解质界面膜）的复杂影响，聚焦Li?Li⁺
+e^?
的本征电化学行为。通过引入归一化浓度场变量c和电势场?，建立了描述界面能、电化学势与过电位相互作用的控制方程，其中界面能密度函数采用双阱势形式，电荷转移速率遵循非线性Butler-Volmer动力学。

结果与讨论
当施加-0.45 V过电位时，尖端电场集中效应导致典型枝晶分形生长；而切换至-0.1 V后出现反常现象：枝晶顶部因局部Li⁺
浓度梯度反转发生选择性溶解，而底部持续沉积形成"倒金字塔"结构。这种"再平坦化"过程归因于弱过电位下电化学驱动力减弱，使得界面能主导的扩散传质方向发生逆转。

结论
该工作首次证实通过优化过电位时序调控可实现枝晶自抑制，其核心机制在于：小过电位条件下，界面张力驱动的上坡扩散克服了电场驱动的离子迁移，导致枝晶尖端优先溶解。这种无需外加装置或结构改造的方法，为开发兼具高安全性与快充能力的锂金属电池提供了新范式。研究建议未来可通过机器学习优化过电位波形，进一步平衡沉积速率与界面稳定性。