碱金属负极存在枝晶生长的共性问题，导致其构筑的二次电池安全性能差，循环寿命短，严重阻碍了碱金属负极在实际电池中的应用。本文综述了碱金属负极在枝晶生长机理方面的相关研究进展。首先阐述了锂、钠、钾三种碱金属在物理、化学性质上的异同及其所带来的电化学性质上的差异；重点介绍了锂金属枝晶形核和生长的相关机制和模型：包括热力学模型、空间电荷模型、应力形变模型、膜生长模型和相场模型，并讨论了这些锂枝晶生长模型对钠和钾体系的适用性；最后概括了这些枝晶生长模型所存在的问题以及未来关于枝晶生长机理的可能研究方向。
碱金属负极的枝晶问题是限制其实际应用的关键。通过电极和电解质的调变能够在一定程度上抑制其枝晶生长，但是对枝晶的生长和演变机理还缺乏清晰地认识。该综述从机理上探讨碱金属的枝晶生长行为，对研究碱金属的沉积行为、碱金属负极保护及其实际应用具有重要意义。
锂金属负极具有极高的理论容量和最负的平衡电极电势，被称为可充放电池中的“圣杯”电极。但锂的储量很低，锂电市场的消耗巨大，导致其价格昂贵。与之相比，钠和钾金属具有储量丰富、价格低廉的优势，也成为下一代负极材料的研究热门。但三种碱金属负极都存在枝晶生长的共性问题，导致电池的安全性能差，能量密度低，循环寿命短等问题，严重阻碍了碱金属负极在实际电池中的应用。为了清晰地认识碱金属负极的枝晶生长行为，寻找抑制枝晶生长的可行方法，指导碱金属的均匀沉积，研究人员提出了多种模型阐述枝晶生长的机制和行为。
示意图1. 锂电池发展的主要时间节点（黄色），枝晶形核和生长的机理模型（蓝色）以及抑制枝晶生长的重要策略（紫色）
本文综述了碱金属负极在枝晶生长机理方面的相关研究进展。首先阐述了锂、钠、钾三种碱金属在物理、化学性质上的异同及其所带来的电化学性质上的差异；重点介绍了锂金属枝晶形核和生长的相关机制和模型：包括热力学模型、空间电荷模型、应力形变模型、膜生长模型和相场模型，并讨论了这些锂枝晶生长模型对钠和钾体系的适用性；最后简单概括了这些枝晶生长模型所存在的问题以及未来关于枝晶生长机理的可能研究方向。
图1. 各种电池体系的质量能量密度。
图2. 枝晶的形貌：（a）针状，（b）树状，（c）苔藓状。
图3. 碱金属负极中枝晶生长引起的危害。
图4. （a）从高维α相到低维β相的不同电化学沉积形貌示意图及相应沉积物的比表面积；（b）计算所得的各种金属表面跨越台阶和阶梯处的扩散势垒。
图5. 计算所得的Mg、Na和Li原子在各种不同SEI组分上的扩散势垒，红色与蓝色分别代表真空环境下和在乙腈体系中的计算值。
图6. 假定均匀沉积的情况下，电池中阳离子浓度Cc、阴离子浓度Ca和静电势分布的数值模拟曲线，正极和负极分别固定在x = 0和x = L处。
图7. 浓差极化条件下金属锂的生长机理：（a）锂沉积的光学照片，说明Sand’stime前后金属锂沉积的形貌存在显著变化；（b）实验所得不同电流密度下的Sand’s time值；（c）Sand’s行为与离子浓度的关系，在曲线以下和以上区域，金属锂分别沉积为苔藓状和枝晶状。
图8. 局部电流密度与沉积形貌之间的关系：在相同电流密度下，具有高比表面积的石墨烯局部电流密度很小，从而可以有效抑制枝晶生长。
图9. 表面张力能够使晶须产生畸变时的锂沉积机理。
图10. 锂金属-电解液界面处可能存在的两种情况：锂金属电极在初始状态下（a）存在预应力和（b）不存在预应力。
图11. 不同电流密度下聚合物电解质剪切模量的大小与沉积形貌之间的关系相图：ipeak/ivalley表示凸起处和凹陷处的电流密度比值，GElectrolyte/GLithium表示聚合物电解质对金属锂的标准剪切模量。
图12. 应力驱使锂枝晶生长的示意图：（a）锂沉积过程中铜薄膜表面会产生压缩应力，使铜薄膜表面出现褶皱；（b）应力作用使得金属锂沉积到新形核区域，并在SEI缺陷处生长成为锂枝晶。
图13. 锂沉积的膜生长机制：（a）锂枝晶生长程度与表面能差异之间的关系示意图；（b）锂枝晶的生长示意图：外电路通电时锂金属负极表面存在大量电荷，充放电过程中表面能变化很大，导致沉积形貌十分不均匀。
图14.相场动力学模拟三种典型的锂沉积行为：（a）纤维状沉积，（b）全枝晶状沉积，（c）顶端分裂的枝晶状沉积。
图15. 相场模拟的枝晶形貌：（a）针状，（b）树状，（c）苔藓状，（d）针状和苔藓状共存，（e）针状转变为苔藓状。
2012.09-2017.07 中国科学院过程工程研究所 博士2008.09-2012.07 安徽工业大学 学士
2016-至今 阿尔伯塔大学矿业与石油工程学院 助理教授2012-2016 帕洛阿尔托水库工程研究所（Reservoir Engineering Research Institute, Palo Alto, California,U.S.A） 研究员相行为和流体的统计热力学、分子模拟与计算，石油工程中的相行为模拟，包括多相平衡计算，压力、体积、温度模拟。
2010-至今 悉尼科技大学 高级教授/清洁能源技术中心主任
1992-至今 宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系 助理教授、副教授、教授1985-1990 麻省理工学院材料科学与工程系 博士发展先进工程材料中预测微结构演化的相场方法和多尺度计算模型。
2016-至今 北京理工大学前沿交叉研究院 特别研究员、教授、博士生导师先进材料界面及电解质领域，包括锂硫电池、负极界面、电解液、固态电解质等。
2010-2011 德国马普协会弗里茨—哈伯（Fritz Haber）研究所 博士后能源材料化学工程领域，包括锂金属负极、锂硫电池、电催化、三维石墨烯等。Recentadvances in understanding dendrite growth on alkali metal anodes.He Liu, Xin-Bing Cheng, Zhehui Jin, Rui Zhang,Guoxiu Wang, Long-Qing Chen, Quan-Bing Liu, Jia-Qi Huang, and Qiang Zhang.EneryChem, 2019. DOI: 10.1016/j.enchem.2019.100003