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Effects of lithium insertion on thermal conductivity of silicon nanowires

声子 热导率 材料科学 纳米线 杂质 凝聚态物理 声子散射 散射 阳极 化学物理 分子物理学 纳米技术 化学 光电子学 物理化学 复合材料 光学 物理 有机化学 电极
作者
Wen Xu,Gang Zhang,Baowen Li
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:106 (17) 被引量:15
标识
DOI:10.1063/1.4919587
摘要

Recently, silicon nanowires (SiNWs) have been applied as high-performance Li battery anodes, since they can overcome the pulverization and mechanical fracture during lithiation. Although thermal stability is one of the most important parameters that determine safety of Li batteries, thermal conductivity of SiNWs with Li insertion remains unclear. In this letter, using molecular dynamics simulations, we study room temperature thermal conductivity of SiNWs with Li insertion. It is found that compared with the pristine SiNW, there is as much as 60% reduction in thermal conductivity with 10% concentration of inserted Li atoms, while under the same impurity concentration the reduction in thermal conductivity of the mass-disordered SiNW is only 30%. With lattice dynamics calculations and normal mode decomposition, it is revealed that the phonon lifetimes in SiNWs decrease greatly due to strong scattering of phonons by vibrational modes of Li atoms, especially for those high frequency phonons. The observed strong phonon scattering phenomenon in Li-inserted SiNWs is similar to the phonon rattling effect. Our study serves as an exploration of thermal properties of SiNWs as Li battery anodes or weakly coupled with impurity atoms.

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