以相場法模擬鋰金屬電極之電化學沉積

Abstract

電池在許多電子產品中扮演著儲能的角色，須具備方便攜帶、能量密度高，其中能量密度尤其重要，而改變電極材料能夠有效提升電池的能量密度，若採用比電容量高、還原電位低的鋰金屬做為電池負極可以大幅提高電池的能量密度，然而電極表面的不均勻鋰沉積會形成鋰成核，這些成核會逐漸發展為鋰枝晶，並影響鋰金屬電池在使用上的安全性，因此了解並克服鋰電極的不均勻沉積有助於鋰電池的發展。 本研究採用相場法模擬鋰電極在液態電解液、半固態電解液中的沉積行為，並探討其中的物理現象。針對電極於液態電解液中的沉積，本研究設置了三種不均勻情形並分析各種不均勻情形在不同充電電壓下的電極沉積，其中不均勻沉積所形成之鋰成核的數量、大小與不均勻情形有所關連，而越強的充電電壓越容易造成電極表面的不均勻。 對於電極在半固態電解液中的沉積方面，模擬結果顯示半固態電解液具有減緩不均勻沉積的效果且減緩效果與其彈性係數、孔隙率有關，藉由量化指標(電極表面的粗糙度、界面伸長率)能夠精確地描述電極幾何在不同彈性係數、孔隙率之半固態電解液中的演化。另外依據界面伸長率的時間演化關係與電極表面的粗糙度所透露的訊息，我們能夠評估不同彈性係數、孔隙率之半固態電解液抑制不均勻沉積的效果之強弱。