Direct Calculation of Li-Ion Transport in the Solid Electrolyte Interphase

化学 电解质 扩散 扩散层 化学物理 离子 电极 表面扩散 相间 分析化学(期刊) 离子键合 吸附 热力学 物理化学 色谱法 物理 遗传学 有机化学 生物
作者
Siqi Shi,Peng Lu,Zhongyi Liu,Yue Qi,Louis G. Hector,Hong Li,Stephen J. Harris
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:134 (37): 15476-15487 被引量:583
标识
DOI:10.1021/ja305366r
摘要

The mechanism of Li(+) transport through the solid electrolyte interphase (SEI), a passivating film on electrode surfaces, has never been clearly elucidated despite its overwhelming importance to Li-ion battery operation and lifetime. The present paper develops a multiscale theoretical methodology to reveal the mechanism of Li(+) transport in a SEI film. The methodology incorporates the boundary conditions of the first direct diffusion measurements on a model SEI consisting of porous (outer) organic and dense (inner) inorganic layers (similar to typical SEI films). New experimental evidence confirms that the inner layer in the ∼20 nm thick model SEI is primarily crystalline Li(2)CO(3). Using density functional theory, we first determined that the dominant diffusion carrier in Li(2)CO(3) below the voltage range of SEI formation is excess interstitial Li(+). This diffuses via a knock-off mechanism to maintain higher O-coordination, rather than direct-hopping through empty spaces in the Li(2)CO(3) lattice. Mesoscale diffusion equations were then formulated upon a new two-layer/two-mechanism model: pore diffusion in the outer layer and knock-off diffusion in the inner layer. This diffusion model predicted the unusual isotope ratio (6)Li(+)/(7)Li(+) profile measured by TOF-SIMS, which increases from the SEI/electrolyte surface and peaks at a depth of 5 nm, and then gradually decreases within the dense layer. With no fitting parameters, our approach is applicable to model general transport properties, such as ionic conductivity, for SEI films on the surface of other electrodes, from the atomic scale to the mesoscale, as well as aging phenomenon.
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