本研究探討鋰金屬電池在電鍍（electrodeposition）過程中的不穩定性及鋰枝晶的生長機制。在鋰金屬電池的電鍍過程中，常會發生嚴重的電解液濃度極化。當電鍍電流密度超過極限電流密度時，會造成電極表面鋰離子的耗盡，進而導致碎型枝晶結構（fractal dendrites）的形成。儘管Sand 理論模型被廣泛用於預測極限電流密度，但該模型卻忽略濃度對離子傳輸動力學的影響，這導致理論預測與實驗觀察之間的偏差。為了更深入理解濃度如何影響電鍍的穩定性和鋰的形態，我們使用相場模擬和穩態分析進行數值研究。
在研究中，我們利用相場模型整合了 Butler-Volmer 方程來描述在負極-電解質界面的反應動力學，並使用 Stewart-Newman 擴散率模型考慮在高濃度下擴散率的降低。在模擬結果中，我們觀察到極限電流密度明顯區分了兩種不同的電鍍行為。當電流密度低於極限值時，表面濃度在穩態條件下趨近於最終值，與 Sand 模型的預測存在偏差；而當電流密度超過極限值時，表面濃度會在有限時間內迅速降至零。這種離子耗盡被視為觸發電鍍不穩定性和隨後形成鋰枝晶結構的關鍵因素。
另一方面，我們的模型顯示了SEI（固體電解質界面）的不均勻性是導致複雜苔蘚狀枝晶生長的主要機制。模擬結果中顯示，在依賴高濃度擴散率的情境中，當離子耗盡時，鋰枝晶的生長模式會從反應限制的苔蘚狀枝晶轉變為擴散限制的碎型枝晶。這一發現為離子傳輸動力學在電鍍穩定性中的影響提供了深入的探討，並對實驗觀察與Sand模型在極限電流密度預測間的不一致提供了合理的解釋。（應力所陳志鴻教授提供）
圖1 ：相場法模擬不同鋰枝晶成長行為。(a)苔蘚狀枝晶(mossy dendrites)生長, (b) 鋰離子耗盡觸發苔蘚狀枝晶生長轉變為碎型枝晶(fractal dendrites)生長。