收錄於話題 #結構材料前沿 324個
導讀：粗糙的樹枝狀沉積物的形成是金屬電沉積過程中的關鍵問題，並且可能會在使用金屬電極的下一代可充電電池中發生。電對流是由強電場與電極表面附近帶電流體的耦合引起的，被認為是導致枝晶生長的原因。但是，很少在保真度範圍內進行研究。作者使用微流體顯示出在電沉積過程中穿過電極表面的強制對流可減少金屬枝晶的生長（97.7至99.4％）並大大延遲了電對流不穩定性的發生！具有重要的實際意義！
電對流被認為是造成高直流偏置電流的原因，並且在金屬電沉積過程中形成粗糙的樹枝狀沉積物。在SCL的形成，強離子濃度極化相伴放大局部電動反應和電對流不穩定的離子耗盡區，從而產生循環，旋渦狀的流動圖案。根據魯賓斯坦（Rubinstein）和扎爾茲曼（Zaltzman）的最新理論是由擴展SCL中的非平衡電滲滑移速度驅動的，枝晶的形成在金屬鍍覆的電極，另一方面，如上所述，從一個形態不穩定的結果，從根本上是無關的流體動力學不穩定性。然而，形態不穩定性的開始破壞了陰極的平坦度，並在電極附近引發了電/擴散-滲透微流，這將在沉積物上反饋。
迄今為止，已經進行了許多努力，通過經由操作在電解質離子傳送或通過降低電極表面靠近該局部電場控制動力學不穩定性，以減輕枝晶生長。其中，將添加劑如碳酸基或氟-電解質，自愈陽離子，或離子液體導致了平滑電沉積。這些添加劑用於減少成核位置處的高局部電場，從而使整個表面的電場均勻。
儘管已開發出許多選擇性抑制電對流不穩定性以避免枝晶生長的策略，但很大程度上忽略了電極附近局部流體和離子遷移動力學所起的基本作用，並且缺少對流在枝晶形成和生長中的特殊作用。在金屬凝固經典研究表明在金屬熔體（枝晶生長的對流流動的效果）。然而，這些研究主要集中在流固耦合以確定滲透率，並且在樹枝狀凝固過程中沒有外部施加的電場，這與我們在此描述的根本不同。在這裡，
美國加利福尼亞大學開發了一種基於微流體的電化學系統，同時進行高速成像和計時電流/計時電位記錄，以研究錯流對電沉積過程中電勢，電流密度，電對流渦流和枝晶生長動力學的影響。作者假設與電極表面相切的強制對流在電沉積過程中通過橫向對流提供離子，從而抑制了電對流的不穩定性和枝晶的形成，證明了強迫對流增強了離子傳輸，使其超出了停滯條件下觀察到的離子傳輸，從而減弱了對流不穩定性，並抑制了枝晶的形成和生長。相關研究成果以題「Suppression of dendrite growth by cross-flow in microfluidics」發表在Science Advances上。https://advances.sciencemag.org/content/7/8/eabf6941
本研究表明，在電沉積過程中穿過電極表面的強制對流將金屬枝晶的生長減少了97.7％至99.4％。另外，當施加恆定電壓和恆定超限電流時，高流量會導致瞬時穩態電流和穩態電位。
圖1 對流抑制了基於微流體的電化學系統中樹枝狀晶體的形成和生長。
圖2 對流抑制了電流密度過大時樹枝狀晶體的形成和生長。
理論建模和仿真表明，增加的流速延遲了電對流不穩定性的發生，並產生了一個較薄的濃度梯度。在橫流過程中使用粒子跟蹤的其他實驗證據進一步證實，電對流渦旋的強度降低了97.7％。請注意，在高流速下，電流偏離了Cottrell方程，在停滯的電解質中通常都沒有出現過衝電位和線性電位降低的現象，這表明陰極附近的陽離子不是由擴散提供的，而是橫流的。
圖3 對流保留了電極的表面光滑度。
圖4 在對流下電對流不穩定性得到抑制。
圖5 對流減少的對流渦流。
枝晶的生長通常歸因於金屬界面的形態不穩定性。但是，自增強的枝晶生長可能是由稱為對流的流體動力不穩定性引起的。樹枝狀晶體生長減少與交叉流引起的電勢降低相吻合的事實表明，離子濃度極化響應直流偏壓隨強制對流而改變。因此，通過減少離子濃度極化並抑制枝晶生長，強制對流的應用可實現對離子遷移的調節控制，並減輕電對流不穩定性。
本文來自材料學網微信公眾號，歡迎友好轉載，轉載請聯繫後臺，未經許可，謝絕轉載