定制电解液或隔膜实现锂离子各向异性输运从而抑制枝晶生长：相场模拟研究

电池内部不可控的枝晶生长问题严重地影响着电池的循环性能和安全性能,这对于锂金属电池的实际应用是一个严峻的挑战。尽管已有较多的实验和理论研究工作聚焦于电极间锂离子各向异性输运特性对枝晶形貌的影响,但仍有一些开放性的问题有待进一步研究,例如,如何将枝晶生长的动态演变与电解液性质、电势分布或隔膜多孔结构诱导的锂离子各向异性输运关联起来。我们通过将锂离子在电解液中的扩散系数(DL)表示为二阶张量的形式并进行相场模拟,发现D_yy:D_xx比值的增加,以及电势诱导的电极/电解液界面锂离子快速扩散层均可以降低界面处锂离子浓度梯度和电势梯度,从而减弱枝晶生长的驱动力。我们还发现隔膜基体与y方向之间夹角的增大也会显著促进电解质中的锂离子各向异性输运特性,以利于抑制枝晶生长。籍此本文提出设计D_yy:D_xx=10:1的电解液和基体倾斜角为arctan (0.5)的隔膜用于锂金属电池。该相场研究有望为设计具有抑制枝晶能力的电解质或隔膜提供指导。     

相场模型及其在电化学储能材料中的应用

随着计算机技术的快速发展,计算研究在探究材料体系微结构演化方面展示出巨大的优势.作为材料动力学的一种计算研究方法,相场模型不仅可以避免复杂的界面追踪,而且便于处理各类外场因素,因而受到广泛关注.藉此本文介绍了相场模型的理论框架以及目前主流的多元多相系相场模型:Carter模型, Steinbach模型和Chen模型,并从相场变量的解释、耦合热力学数据库的方式、体系自由能密度的构建方式以及演化方程等方面对上述三个模型进行了系统地概括和比较.进一步,聚焦于相场模型在各向异性输运和相分离、弹性和塑性变形、裂纹扩展和断裂、枝晶生长机制等方面的应用,系统展示了相场模型在描述电化学储能材料微结构演化以及改进其性能方面的巨大潜力.最后,从相场模型的理论改进和应用拓展两个方面,讨论并展望了电化学储能材料相场模拟的未来发展方向和亟待解决的关键问题.