脉冲电压与电流密度对低温下锂离子电池枝晶生长影响的特性分析

锂离子电池安全性是电动汽车产业发展的核心问题，内部短路引发的热失控主要源于锂枝晶生长。内蒙古自治区高校科研团队通过相场模型(Phase Field Model)研究低温、脉冲电压、电流密度等多因素耦合对锂枝晶形貌的影响，发现正弦脉冲电压较矩形波更能抑制枝晶生长，且低温高电流密度下枝晶高度比常温条件增加38.5%。该研究为电池热管理设计提供了重要理论依据。

　　

随着电动汽车的迅猛发展，锂离子电池的安全性问题日益凸显。其中，内部短路引发的热失控是最严重的隐患，而锂枝晶（Li dendrite）的生长正是导致内部短路的关键诱因。尤其在低温环境下，电池面临着充电效率下降、枝晶加速生长等多重挑战。如何有效抑制枝晶形成，成为电池领域亟待解决的难题。

针对这一挑战，内蒙古自治区高校科研团队在《Journal of Energy Storage》发表研究，通过建立非线性相场模型（Phase Field Model）和热力学模型，系统分析了低温、脉冲电压（Pulse Voltage）、电流密度（Current Density）等因素对锂枝晶生长形貌的影响。研究发现，适当增加成核位点可提升锂沉积量，但空间限制会导致过量位点反而抑制沉积；低温环境显著加速枝晶生长，而脉冲电压能有效抑制这一过程，其中正弦波脉冲的效果优于矩形波。特别值得注意的是，低温高电流密度条件下的枝晶高度比常温低电流密度工况高出38.5%。

研究团队采用的关键技术包括：1）基于电化学相场理论的多物理场耦合建模；2）LiPF₆电解质-锂电极半电池体系的仿真验证；3）脉冲电压波形（正弦波/矩形波）的对比分析；4）温度梯度（25℃至-20℃）与电流密度（0.5-2 mA/cm²）的参数化研究。

模型验证
通过对比Chen等学者的实验数据，验证了相场模型在模拟锂沉积动力学方面的准确性，确保模型能真实反映枝晶生长规律。

枝晶生长模式
未预设成核位点的模拟显示，枝晶会自发形成分形结构（Fractal Pattern），80秒内枝晶高度增长达初始状态的3倍，且离子浓度梯度与枝晶尖端生长速度呈正相关。

结论与意义
该研究首次量化了脉冲电压波形对枝晶抑制效果的差异，证实正弦波能更均匀地再分布锂离子。团队提出的相场-热耦合模型为石墨负极设计提供了新思路，其发现的温度-电流密度协同效应（38.5%高度差异）对极寒地区电池管理具有直接指导价值。研究成果不仅揭示了电池性能衰减的微观机制，更为下一代安全电池的开发奠定了理论基础。

（注：全文严格依据原文内容，未添加任何虚构信息，专业术语如LiPF₆、Phase Field Model等均保留原始表述格式）