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Analysis of a Li-Ion Nanobattery with Graphite Anode Using Molecular Dynamics Simulations

电解质 阳极 阴极 离子 化学 石墨 化学物理 材料科学 分析化学(期刊) 锂离子电池 电池(电) 热力学 复合材料 电极 物理化学 物理 有机化学 功率(物理)
作者
V. H. Ponce,Diego E. Galvez‐Aranda,Jorge M. Seminario
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:121 (23): 12959-12971 被引量:41
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.7b04190
摘要

Molecular dynamics simulations were performed to investigate the initial charging of a Li-ion nanobattery with a graphite anode and lithium hexaflourphosphate (LiPF6) salt dissolved in ethylene carbonate (CO3C2H4) solvent as the electrolyte solution. The charging was achieved through the application of external electric fields simulating voltage sources. A variety of force fields were combined to simulate the materials of the nanobattery, including the solid electrolyte interphase, metal collectors, and insulator cover. Some of the force field parameters were estimated using ab initio methods, and others were taken from the literature. We studied the behavior of Li-ions traveling from cathode to anode through electrolyte solutions of concentrations 1.15 and 3.36 M. Time-dependent variables such as energy, temperature, volume, polarization, and mean square displacement are reported; a few of these variables, as well as others such as current, resistance, current density, conductivity, and resistivity are reported as a function of the external field and charging voltage. A solid electrolyte interphase (SEI) layer was also added to the model to study the mechanism behind the diffusion of the Li-ions through the SEI. As the battery is charged, the depletion of Li atoms in the cathode and their accumulation in the anode follow a linear increase of the polarizability in the solvent, until reaching a saturation point after which the charging of the battery stops (i.e., the energy provided by the external source decays to very low levels). The nanobattery model containing the most common materials of a commercial lithium-ion battery is very useful to determine atomistic information that is difficult or too expensive to obtain experimentally; available data shows consistency with our results.
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