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?AEM：促進(jìn)鋰金屬均勻生長(zhǎng)的機(jī)械種子機(jī)制

電化學(xué)沉積過程中的鋰枝晶生長(zhǎng)是限制鋰金屬負(fù)極商業(yè)化的一個(gè)主要問題。最近，有人根據(jù)低溫透射電子顯微鏡（cryo-TEM）結(jié)合經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬提出了一個(gè)有趣的現(xiàn)象，表明鋰在生長(zhǎng)過程中存在無序相變（DOPT）。這項(xiàng)研究潛在地提出了一個(gè)重要概念，即無序相可能是控制（非）均勻鋰枝晶生長(zhǎng)的關(guān)鍵參數(shù)，并促使人們利用統(tǒng)一多尺度原子計(jì)算系統(tǒng)地了解鋰、鎳和鉀等堿金屬的生長(zhǎng)機(jī)制。

圖1 “機(jī)械種子”概念促進(jìn)同源鋰生長(zhǎng)

慶熙大學(xué)Duho Kim、漢陽大學(xué)Joonmyung Choi等受DOPT動(dòng)力學(xué)的啟發(fā)，基于從原子（DFT）到宏觀（MD）尺度的多尺度模擬，揭示了在電化學(xué)沉積/剝離過程中實(shí)現(xiàn)鋰金屬均勻生長(zhǎng)的機(jī)械種子（MS）概念，以促進(jìn)安全的鋰金屬電池?；诖罅繜崃W(xué)無序能數(shù)據(jù)集，在DFT輔助多尺度模擬的基礎(chǔ)上，將雙體相互作用解耦為三種類型：i) 類晶體；ii) 長(zhǎng)；iii) 短鋰─鋰鍵。這些雙體相互作用的貢獻(xiàn)為控制電化學(xué)沉積過程中的無序-有序相變提供了力學(xué)因素。

圖2 闡明MS效應(yīng)的宏觀和動(dòng)態(tài)機(jī)制

在DFT結(jié)果的基礎(chǔ)上，作者構(gòu)建了無序的核殼和橫截面MD模型，并依次進(jìn)行了觀察，以加強(qiáng)從壓縮誘導(dǎo)調(diào)制中得出的有趣概念。與壓縮應(yīng)變（??）= 0.00和0.10的球形模型相比，在適度壓縮條件下，宏觀上無序的內(nèi)核平滑地轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蛳?，沒有形成孔隙，而且動(dòng)力學(xué)可能顯示出一種取決于機(jī)械條件的DOPT動(dòng)力學(xué)。

在一維模型中，電化學(xué)沉積在?? = 0.05時(shí)沉積鋰金屬表面溫和，而在其他情況下則出現(xiàn)粗糙。不同高度的表面積測(cè)量和晶界附近的原子位移證明了鋰金屬負(fù)極的生長(zhǎng)依賴性。作者對(duì)統(tǒng)一原子計(jì)算的具體研究為定制（非）均勻鋰生長(zhǎng)提供了一個(gè)有趣的方向。此外，MS機(jī)制有望成為探索安全穩(wěn)定的鋰金屬電池的通用策略。

圖3 MS條件下鋰金屬生長(zhǎng)行為的研究

Mechanical Seed Mechanism to Facilitate Homogeneous Li Metal Growth. Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.202300816

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