Development and Validation of a ReaxFF Reactive Force Field for Modeling Silicon–Carbon Composite Anode Materials in Lithium-Ion Batteries

雷亚克夫 材料科学 阳极 分子动力学 锂(药物) 纳米技术 晶体硅 化学物理 复合材料 计算化学 化学 物理化学 原子间势 光电子学 电极 医学 内分泌学
作者
Stéphane B. Olou’ou Guifo,Jonathan E. Mueller,Diana van Duin,Mahdi Khajeh Talkhoncheh,Adri C. T. van Duin,David Henriques,Torsten Markus
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:127 (6): 2818-2834 被引量:15
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.2c07773
摘要

Silicon–carbon (Si–C) nanocomposites have recently established themselves among the most promising next-generation anode materials for lithium (Li)-ion batteries. Indeed, combined Si and graphitic (sp2-C) phases exhibit high energy densities with reasonable electrochemical responses, while covalently bonded silicon carbide (SiC) compounds offer high mechanical stiffness to withstand structural degradation. However, to form and utilize a Si–C composite structure that effectively satisfies specific battery energy, power, and lifetime requirements, it is necessary to understand the underlying atomistic mechanisms at work within its individual phases and at their interfaces. Here, we develop and validate a reactive interatomic potential (ReaxFF) for the Li–Si–C system, trained and tested against a large, diverse collection of ab initio data. In conjunction with molecular dynamics and Monte Carlo simulations, our new force field links macroscale phenomena to the nanostructures of various hybrid Si–C systems in a wide range of lithiation, temperature, and stress conditions. As an illustration, it demonstrates that the high capacity of SiC (5882 mA h g–1) is caused by amorphous lithium carbides (e.g., a-Li4.4C), which soften the overall a-Li4.4(SiC)0.5 system while swelling it volumetrically up to 668%. Furthermore, our force field accurately depicts step-wise lithiation mechanisms and volume changes in Si–sp2-C composites throughout the lithiation domain of each host subsystem. It reveals the formation of a Li-rich interphase at their grain boundary, which favors their adhesion and increases the local Li (de)insertion voltage up to 1 V. These examples demonstrate the ability of the new Li–Si–C ReaxFF potential to provide atomistic-scale insights required for designing and optimizing a wide range of Si–C-based anode candidates for upcoming Li-ion battery technologies.
最长约 10秒,即可获得该文献文件

科研通智能强力驱动
Strongly Powered by AbleSci AI
更新
PDF的下载单位、IP信息已删除 (2025-6-4)

科研通是完全免费的文献互助平台,具备全网最快的应助速度,最高的求助完成率。 对每一个文献求助,科研通都将尽心尽力,给求助人一个满意的交代。
实时播报
刚刚
小可完成签到 ,获得积分10
刚刚
刚刚
谨慎的草丛完成签到,获得积分10
刚刚
eff发布了新的文献求助10
1秒前
2秒前
2秒前
我是老大应助JABBA采纳,获得10
3秒前
Zhouxin发布了新的文献求助10
3秒前
人谷呀完成签到 ,获得积分10
3秒前
doglucki369发布了新的文献求助10
3秒前
4秒前
年入百万完成签到 ,获得积分10
6秒前
6秒前
honghong发布了新的文献求助10
6秒前
Jasper应助俊逸艳一采纳,获得10
6秒前
7秒前
雪妮儿发布了新的文献求助10
7秒前
李有峰完成签到,获得积分20
8秒前
9秒前
9秒前
Fire完成签到,获得积分10
10秒前
10秒前
归陌完成签到 ,获得积分10
11秒前
田様应助HY采纳,获得10
12秒前
12秒前
圈圈发布了新的文献求助10
12秒前
坦率灵槐完成签到,获得积分10
12秒前
GingerF应助程雯慧采纳,获得50
13秒前
阿王发布了新的文献求助10
13秒前
carl完成签到,获得积分10
14秒前
14秒前
曾利凤完成签到 ,获得积分10
14秒前
CICI发布了新的文献求助10
15秒前
13728891737发布了新的文献求助30
15秒前
15秒前
桐桐应助299采纳,获得10
16秒前
YY完成签到 ,获得积分10
16秒前
17秒前
17秒前
高分求助中
(应助此贴封号)【重要!!请各用户(尤其是新用户)详细阅读】【科研通的精品贴汇总】 10000
解放军总医院眼科医学部病例精解 1000
温州医科大学附属眼视光医院斜弱视与双眼视病例精解 1000
Zur lokalen Geoidbestimmung aus terrestrischen Messungen vertikaler Schweregradienten 1000
Hidden Generalizations Phonological Opacity in Optimality Theory 500
translating meaning 500
Storie e culture della televisione 500
热门求助领域 (近24小时)
化学 医学 生物 材料科学 工程类 有机化学 内科学 生物化学 物理 计算机科学 纳米技术 遗传学 基因 复合材料 化学工程 物理化学 病理 催化作用 免疫学 量子力学
热门帖子
关注 科研通微信公众号,转发送积分 4896177
求助须知:如何正确求助?哪些是违规求助? 4177912
关于积分的说明 12969523
捐赠科研通 3941127
什么是DOI,文献DOI怎么找? 2162106
邀请新用户注册赠送积分活动 1180588
关于科研通互助平台的介绍 1086117