杨阳/单晓楠AEM: 局部电化学环境对电极反应动力学和枝晶最小化的影响

不可控的枝晶生长与不均匀的反应环境密切相关，包括局部离子浓度和电流密度、电势分布和表面扩散系数。然而，目前仍缺乏探测局部电化学环境（LEE）的理解和分析方法。

在此，美国休斯顿大学单晓楠教授、David Mayerich及中佛罗里达大学杨阳教授等人研究了LEE对金属电镀/剥离动力学和枝晶最小化的影响。作者开发了一种新颖的原位3D 显微镜技术，用于对Zn-Mn负极上的Zn电镀/剥离过程的形态动力学和沉积速率进行成像。

使用原位3D显微镜，可以直接对反应过程中的电极形态变化进行成像，并获得不同时间点的Zn沉积速率图。作者发现Zn沉积不均匀、沉积厚度与LEE高度相关，而沉积/剥离速率取决于位置，并且与LEE效应和电极几何形状相关。

图1. 锌电镀/剥离动力学的可视化

为了获得局部离子浓度、电势分布和电流密度（LEE参数），作者采用数字孪生技术来构建真实3D Zn-Mn电极的虚拟复制品。将电极的3D形态导入 COMSOL Multiphysics模型，并计算不同时间的LEE参数。结果表明，电极形态将决定局部离子浓度分布和局部电流密度，并显著影响局部Zn沉积/剥离速率。

此外，3D 电极表面的曲率是影响反应动力学和枝晶形成的关键因素。最后，作者还提取和研究了Zn成核密度和分布。本文获得的结果提供了一种通过控制LEE和优化电极几何形状来最小化枝晶形成的新策略。

图2. 使用数字孪生了解LEE对锌沉积的影响

Probe the Localized Electrochemical Environment Effects and Electrode Reaction Dynamics for Metal Batteries using In Situ 3D Microscopy, Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202103484

杨阳/单晓楠AEM: 局部电化学环境对电极反应动力学和枝晶最小化的影响

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