金属锂负极的理论比容量达到3860mAh/g，电位仅为-3.04V（vs标准氢电极），是一种理想的锂离子电池负极材料。金属锂负极搭配高容量的正极材料，可以轻松实现400Wh/kg以上的比能量，远高于传统的锂离子电池体系。但是金属锂负极在反复的充放电过程中会产生枝晶生长的问题，这不仅会导致活性锂的损失，在严重的情况下甚至会刺穿隔膜，引起安全问题，严重制约了锂金属负极的应用。
通常我们认为金属锂枝晶主要是受到电极动力学特性的影响。近日，德州大学奥斯丁分校的Xiangwen Gao（第一作者）和Wei Tang（通讯作者）、John B. Goodenough（通讯作者）等人则从热力学的角度对锂枝晶的形成进行了研究，并从热力学的角度对无枝晶负极的设计提出了建议。
枝晶的形成可以分为两个控制因素：一个动力学因素，例如电流密度、离子迁移速度、电场分布和电荷交换等因素；另一个则是热力学因素，例如表面能、吸附能、温度等。
研究表明，在金属锂内部Li原子之间的金属键能量要明显低于一些多价金属，例如Mg，因此在金属锂中Li更加容易迁移到表面，也更容易形成低维结构，例如枝晶。除了表面能的影响，温度也会对锂枝晶的产生和生长产生显著的影响，温度影响的主要是Li+的扩散能力，以及SEI膜的成分和微观结构。Akolkar等人开发了稳态扩散模型用以研究枝晶的生长过程，该模型主要是根据能斯特边界层扩散模型模拟了温度对Li扩散的影响计算了枝晶顶部电流密度it与平面电流密度（if）之间比值关系（如下式所示）。
根据上式我们可以计算得到it/ if趋近于无穷大的温度线，当低于该温度时锂枝晶会发生不受控的生长，同时我们也可以计算一条温度线，在这一温度以上时能够较好的抑制枝晶的生长。
研究表明在较高的温度下，成核的过程产生的过电势较小，因此形成的晶核直径较大，晶核数量较少，从而形成更加均匀和致密的锂沉积层。
温度不仅会对金属锂的成核过程产生影响，还会对SEI膜的成分产生影响，研究显示20℃下，在醚类电解液中形成的SEI膜主要是由无定形的聚合物构成，这类物质在电解液中具有一定的溶解性，因此SEI膜在循环的过程中稳定性较差，不能很好的保护金属锂负极。而在60℃下形成的SEI膜，则更厚，并且具有多层复合的结构，具有更好的机械强度，能够更好的包含金属锂负极，从而有效的提升金属锂二次电池的循环稳定性。
温度不仅会对金属锂的成核和SEI膜的成分产生影响，也会对枝晶的生长过程产生影响，采用光学显微镜观察发现，在-10℃下生长的枝晶呈现出蘑菇状，5℃下生成为针状结构，而在20℃下生成的则为薄膜状的枝晶。采用Ni板为基体的研究表明，在常温下金属锂的沉积呈现出非均匀的状态，而在60℃下则会生成则为致密、均匀的锂沉积层。对锂枝晶生长的模拟计算显示在较低的温度下，枝晶在“树枝”方向上生长的更长，表明在低温下金属锂的生长更倾向于生长成小的枝晶。
尽管反应温度和负极设计能够在一定的程度上抑制枝晶的生长，但是金属锂与电解液的界面仍然非常不稳定，特别是金属锂反复充放电过程中的体积膨胀对于界面膜的破坏，会引起电解液持续的分解反应。因此优化金属锂/电解液界面膜能够有效的改善金属锂负极的循环性能，例如研究表明富含LiF的界面膜能够显著的提升金属锂负极的循环性能。研究表明在高温下，在醚类电解液中，60℃条件下生成的SEI膜具有更好的机械稳定性，能够提升金属锂电池的循环稳定性，但是并非所有的电解液都适合在高温下进行充电，例如在一些无添加剂的电解液中人们也观察到了更厚的界面膜和更不均匀的锂沉积现象。
对于锂枝晶的生长而言，温度和界面能等热力学条件都会对其产生显著的影响，更高的表面能和更高的温度有利于减少金属锂成核过程中的极化，使得锂的沉积层更为均匀和致密，提升金属锂负极的循环稳定性。
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Thermodynamic Understanding of Li-Dendrite Formation, Joule 4, 1–16, September 16, 2020, Xiangwen Gao, Ya-Nan Zhou, Duzhao Han, Jiangqi Zhou, Dezhong Zhou, Wei Tang and John B. Goodenough
