傳統(tǒng)的以石墨為負極材料的鋰離子電池正在接近其理論的能量密度極限，然而現(xiàn)有的鋰電池能量密度遠未達到不斷發(fā)展的儲能市場需求，發(fā)展以高能鋰金屬作為負極材料的鋰金屬電池對未來儲能市場具有重要的意義。然而，受限于其極高的活性，鋰金屬電池在運行過程中會出現(xiàn)嚴重的枝晶生長問題，極大降低了其運行壽命和安全性。溫度場作為電池運行中最重要的物理場之一，其對枝晶生長過程具有重要的影響，但是其影響機制仍不清楚。為此，北京大學彭雨粲研究員團隊構建了一套優(yōu)化的相場模型，深入探究了不同溫度條件對鋰沉積的影響機制，為進一步探究溫度調控穩(wěn)定運行高能量密度鋰金屬電池提供了一項重要的工具。

圖1. 溫度影響鋰沉積示意圖

通過對相場模型的優(yōu)化，研究團隊引入了固態(tài)電解質界面（SEI）非晶結構對界面動力學速率和方向的限制以及原子擴散動力學，更精確地描述了鋰金屬電池運行過程內部動力學行為。團隊通過模擬不同條件下單個鋰枝晶的生長過程，證明了引入SEI非晶結構限制以及原子擴散動力學后，優(yōu)化的相場模型能夠更準確地模擬鋰金屬負極上的鋰沉積行為，說明了模型優(yōu)化的合理性和重要性。

圖2. 不同條件下單枝晶生長形貌圖

在構建優(yōu)化相場模型后，為深入探究不同溫度條件對鋰沉積的調控機制，團隊深入探究了固定溫度下鋰沉積形貌從致密苔蘚狀轉變?yōu)橹畹倪^程及機制。通過模擬鋰沉積形貌轉變過程，團隊解釋了形貌的轉變機制及其不可避免性，并說明了SEI對界面動力學速率與方向的限制在沉積形貌轉變過程中發(fā)揮的重要作用。團隊同時揭示了原子擴散動力學在沉積形貌轉變過程中能夠發(fā)揮積極作用，降低沉積形貌由苔蘚狀轉變?yōu)橹畹呐R界界面濃度，進一步證明了模型優(yōu)化的重要性。

圖3. 鋰沉積形貌轉變機制圖

在解釋了鋰沉積形貌轉變機制后，團隊深入探究了環(huán)境溫度變化對鋰沉積過程的影響機制。通過模擬不同環(huán)境溫度下相同沉積量的鋰沉積形貌，團隊證明了溫升有利于沉積形貌維持致密苔蘚狀結構，進而降低相界面面積，提升電池性能和壽命。在溫度升高后，指數(shù)級增強的離子擴散動力學能夠極大提升表面鋰離子供應量，延緩達到SEI限制臨界界面濃度的過程；相應增強的原子擴散則有利于維持最低比表面積，促進沉積結構愈合。兩者的共同作用提升了沉積形貌轉變?yōu)橹钏璧某练e量，有利于電池的穩(wěn)定運行。

圖4. 環(huán)境溫度影響鋰沉積形貌圖

團隊還探究了電池內部常見的局部熱點對鋰沉積形貌的影響。他們通過模擬不同熱點結構作用下的鋰沉積形貌差異，說明了通過分散局部熱點能夠抑制熱點上方的局部枝晶生長，進而降低相界面面積，提升電池循環(huán)性能和壽命，降低枝晶穿透隔膜導致的熱失控風險。

圖5. 局部熱點影響鋰沉積形貌圖