Suppression of Dendrite Formation via Pulse Charging in Rechargeable Lithium Metal Batteries

过电位 材料科学 锂(药物) 电解质 枝晶(数学) 相间 化学物理 化学工程 阳极 化学 电极 电化学 医学 物理化学 工程类 生物 内分泌学 遗传学 数学 几何学
作者
Matthew Z. Mayers,Jakub W. Kamiński,Thomas F. Miller
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:116 (50): 26214-26221 被引量:187
标识
DOI:10.1021/jp309321w
摘要

We introduce a coarse-grained simulation model for the reductive deposition of lithium cations in secondary lithium metal batteries. The model accounts for the heterogeneous and nonequilibrium nature of the electrodeposition dynamics, and it enables simulation of the long timescales and lengthscales associated with metal dendrite formation. We investigate the effects of applied overpotential and material properties on early-stage dendrite formation, as well as the molecular mechanisms that govern this process. The model confirms that dendrite formation propensity increases with the applied electrode overpotential, and it demonstrates that application of the electrode overpotential in time-dependent pulses leads to dramatic suppression of dendrite formation while reducing the accumulated electrode on-time by as much as 96%. Moreover, the model predicts that time dependence of the applied electrode overpotential can lead to positive, negative, or zero correlation between cation diffusivity in the solid–electrolyte interphase (SEI) and dendrite formation propensity. Analysis of the simulation trajectories reveals that dendrite formation emerges from a competition between the timescales for cation diffusion and reduction at the anode/SEI interface, with lower applied overpotentials and shorter electrode pulse durations shifting this competition in favor of lower dendrite formation propensity. This work provides a molecular basis for understanding and designing pulsing waveforms that mitigate dendrite formation while minimally affecting battery charging times.
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