综述：解锁金属电池中树枝晶的生长机制

《Progress in Materials Science》：Unlocking dendrite growth in metal batteries

金属电池枝晶抑制策略及固态电解质界面优化研究。针对锂、锌金属电池中枝晶生长导致的循环寿命与安全性问题，系统分析液态、准固态及全固态电解质体系中枝晶形核、沉积及生长机制差异。提出外场耦合（热/磁/电场）与界面强化（添加剂/SEI调控）协同抑制枝晶的创新框架，并强调机器学习在电解质材料筛选中的关键作用。比较不同电解质系统抑制策略的适用边界，揭示界面态动力学与多场耦合效应的耦合机制，为高安全金属电池开发提供理论指导。

　　

陈云翔|王克良|王恒伟|张天福|钟代云

北京工业大学机械工程学院，北京 100081，中国

摘要

金属电池（如锌基和锂基电池）因其高能量密度和优异的电化学性能而被视为下一代储能系统的有希望的候选者。然而，不受控制的枝晶生长显著影响了它们的安全性和长期稳定性，这成为大规模应用的主要障碍。因此，抑制枝晶生长已成为电池研究的重点。为了提高电池性能，人们已经广泛探索了各种策略，包括添加物引入、电极优化和电解质改性。更重要的是，不同电解质系统中的枝晶生长机制及其相应的抑制策略存在显著差异。在这篇综述中，我们系统地研究了液态、准固态和全固态电解质中的枝晶生长机制及其抑制策略，特别关注了系统从液态向全固态转变过程中固态电解质界面的演变和改进。此外，我们提出了一个框架，该框架结合了外部场耦合和内部增强机制来协同抑制枝晶生长，强调了机器学习在材料筛选中的关键作用。这一全面的概述为金属电池中枝晶抑制技术的进步提供了宝贵的见解和指导。

引言

随着离子电池接近其理论能量密度极限，开发具有高能量密度、长循环寿命、低成本和高安全性的金属电池变得迫切。然而，金属电池的大规模应用面临几个重大挑战，其中最紧迫的问题是难以控制的枝晶生长。金属枝晶具有不规则且尖锐的晶体形态，会带来严重的安全性和性能风险。它们可以穿透隔膜或固态电解质，导致内部短路和热失控，同时还会导致活性材料的不可逆损失，从而显著限制电池的循环寿命和安全性。因此，抑制枝晶生长对于确保电池的循环寿命和安全性至关重要。

为了解决枝晶生长问题并提高电池能量密度，金属电池已经从液态向准固态再到全固态[1]、[2]系统进行了突破性发展。不幸的是，枝晶生长问题仍未得到解决，而且其特性还取决于电解质系统。尽管近年来在理解和减轻枝晶形成方面取得了相当大的进展，但其背后的机制仍存在争议。目前的抑制策略通常局限于特定的电解质或金属系统，缺乏广泛的适用性。令人鼓舞的是，一些研究人员开始探索跨系统的抑制策略，并取得了有希望的结果——其中，水盐电解质作为一种开创性的方法出现，为锂基和锌基电池的电解质设计提供了新的范式。然而，不同系统中枝晶行为的比较研究仍然很少，这阻碍了统一且有效抑制策略的发展。

在这篇综述中，以锂基和锌基电池为例，详细讨论了各种电解质系统（包括液态、准固态和全固态电池）中枝晶生长的原理。我们提供了抑制这些不同电解质中枝晶生长的综合策略概述，并深入分析了这些方法背后的基本原理。在此基础上，我们总结了现有的方法，并提出了未来研究的几个潜在方向。

章节摘录

液态电池

液态电解质因其高离子导电性和优异的润湿性而被广泛用于商业电池中。不幸的是，液态电池存在离子沉积不均匀和局部过电位的问题，这会促进枝晶的快速生长并限制电池寿命。在液态电解质系统中，根据枝晶生长的不同形态，可以大致分为三个阶段：（1）成核阶段（2）沉积阶段（3）生长阶段，如图1所示。

液态电解质改性

液态金属电池中枝晶的生长受到多种因素的影响，包括离子浓度、电场强度、电流密度和成核位点。为了解决枝晶生长问题，提出了许多策略，如人工SEI层[49]、[50]、离子液体[51]和多功能隔膜[52]。在这些方法中，添加工程由于其操作简单和成本低而受到广泛关注。

固态-电解质界面强化

如前所述，为了抑制枝晶生长，电解质已经从液态发展到全固态系统，并伴随着多种改性策略。尽管发生了这些变化，SEI（固态电解质界面）仍然是抑制枝晶生长的核心焦点，显示出其独特的意义。经典的SEI理论认为，其形成受电极的费米能级与最低未占据分子轨道（LUMO）之间的能量差控制

外部场耦合

外部场作为一种非接触式策略，可以向电池系统引入额外的能量，有效增强离子传输动力学并抑制枝晶形成。同样，外部场策略也是一种通用方法。在锂基和锌基电池系统中，已经广泛探索了包括热场、磁场、机械压力和脉冲电场在内的多种外部策略来减轻枝晶生长，如图所示

总结与展望

尽管从液态电解质发展到全固态电解质取得了进展，但不受控制的枝晶生长仍然是金属电池大规模应用的关键障碍。不同电解质系统中的枝晶形成机制涉及复杂的多场相互作用[245]。然而，仍然缺乏一个能够全面描述枝晶生长的统一理论框架，需要进一步的研究。具体的机制，如成核和生长过程等

作者贡献声明

陈云翔：撰写——综述与编辑、撰写——初稿、方法论、数据分析、概念化。王克良：项目管理、资金获取、数据分析。王恒伟：可视化、验证。张天福：可视化、验证。钟代云：可视化、验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：52476175）、智能绿色车辆与移动性国家重点实验室（项目编号：KFZ2402）、国家重点研发计划（编号：2023YFB2503800）以及中央高校基本科研业务费（编号：2025CX11004）的支持。