High Rate Transfer Mechanism of Lithium Ions in Lithium–Tin and Lithium–Indium Alloys for Lithium Batteries

锂(药物) 材料科学 扩散 离子 电解质 合金 电化学 空位缺陷 电极 化学物理 化学工程 纳米技术 化学 热力学 冶金 物理化学 结晶学 物理 工程类 内分泌学 有机化学 医学
作者
Jiale Qu,Jiewen Xiao,Tianshuai Wang,Dominik Legut,Qianfan Zhang
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:124 (45): 24644-24652 被引量:33
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.0c07880
摘要

The lithium–tin alloy electrode, as an artificial solid–electrolyte interphase (SEI) material with outstanding electrochemical properties, is promising to realize advanced next-generation lithium batteries. Experimental explorations on Li–Sn alloy have already achieved great success, while theoretical understanding on the mechanism of lithium-ion transport is still lacking. In this work, we carried out first-principles simulations and developed a theoretical methodology to reveal how a lithium ion diffuses in different lithium–tin phases and further elaborated the origin of low diffusion barriers. The simulation results indicate that two kinds of diffusion modes, interstitial and vacancy diffusion, will compete with each other with the increase in lithium concentration. Furthermore, the underlying mechanisms of direct hopping and coordinate process are also different in different Li–Sn/In phases. It is interesting to discover that during the lithiation process of alloy phases, the high-rate transport channel will gradually transform from the interstitial direct-hopping to vacancy mechanism and finally to the interstitial knock-off mechanism. This work provides a thorough theoretical understanding on lithium-ion transportation, further opening up the possibility of synthesizing or modifying SEI materials with enhanced Li conductivity in novel Li-ion battery designs.

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