文章导读
金属负极电池虽被寄望于突破能量密度瓶颈，但枝晶生长与短路失效始终是拦路虎，而学界惯用的Sand's time参数更常被混用，导致离子耗尽、电压突变与形貌失稳等不同物理过程被笼统归为一谈。西安交大团队重新厘清其物理边界，构建多时间尺度分析框架，为判断电解液、界面层等策略究竟调控何种失效过程提供了新评价路径。这一概念澄清能否真正推动高安全金属负极电池落地？
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金属负极电池因其高理论比容量和低氧化还原电位，被认为是突破现有电池能量密度瓶颈的重要技术体系，在新能源汽车、高性能电子设备和大规模储能领域具有广阔应用前景。然而，金属负极在实际运行过程中仍面临沉积不均匀、界面不稳定、枝晶生长以及短路失效等关键问题，严重限制了其进一步应用。Sand’s time作为描述金属负极沉积过程中离子传输受限行为的重要参数，被广泛用于分析相关失效过程。然而，在大量研究中，离子耗尽、电压突变、浓差极化演变、形貌失稳以及短路失效等不同物理过程常被统称为Sand’s time，导致相关概念混用，也影响了对金属负极失效机制和材料调控策略的准确理解。
针对上述问题，西安交通大学化学学院张志成、杨鸿辉教授团队基于对金属负极沉积过程、离子传输动力学以及Sand’s time理论内涵的系统分析，重新审视了Sand’s time在金属负极电池研究中的物理意义。研究团队指出，经典Sand’s time本质上是由输运模型和界面耗尽条件定义的离子传输耗尽时间，反映的是恒流沉积条件下电极/电解液界面处反应离子浓度达到特定耗尽条件所需的时间，并非直接对应枝晶形成、电压拐点或短路失效时间。在此基础上，团队建立了涵盖经典Sand’s time、表观Sand型时间（apparent Sand-type time）、形貌起始时间以及短路/电失效时间的多时间尺度分析框架，并提出利用耗尽前阶段经校准的浓差极化过电位信号解析表观Sand型时间的分析路径，为在特定模型假设和实验条件下解析Sand型响应提供新的思路。研究进一步指出，金属负极失效并非由单一因素决定，而是由成核行为、离子输运、界面反应、机械约束以及界面接触状态等多因素耦合作用形成的复杂过程。其中，经典Sand’s time主要反映输运耗尽过程，而浓差极化响应、形貌演化以及电失效行为可能对应不同物理机制，并不必然与经典Sand’s time相对应。该研究明确了输运耗尽、形貌失稳和电失效过程之间的物理边界，为判断电解液、界面层、隔膜以及固态电解质等材料策略究竟调控何种失效过程提供了新的评价框架，有助于推动高安全、高能量密度金属负极电池的发展。
相关研究成果日前发表在国际著名期刊《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）上。西安交通大学化学学院博士生吴瑶为论文第一作者，西安交通大学杨鸿辉教授为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费专项资金等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1039/D6EE05007G
杨鸿辉教授课题组主页：https://gr.xjtu.edu.cn/hhyang
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这个概念区分确实有必要，之前文献里确实混着用