Understanding lithium, sodium, and potassium storage mechanisms in silicon oxycarbide

离子 锂(药物) 阳极 无定形固体 体积热力学 材料科学 化学 化学工程 结晶学 物理化学 热力学 有机化学 电极 内分泌学 工程类 物理 医学
作者
Christian Chandra,Winda Devina,Handi Setiadi Cahyadi,Sang Kyu Kwak,Jaehoon Kim
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:428: 131072-131072 被引量:30
标识
DOI:10.1016/j.cej.2021.131072
摘要

The use of silicon oxycarbides (SiOCs) as anode materials in lithium-ion batteries and sodium-ion batteries has risen considerably in recent years. However, the amorphous and complex structures of SiOCs that contains C-rich and O-rich SiOC phases make it difficult to clarify Li+- and Na+-ion storage mechanisms experimentally. This study uncovers the Li+-, Na+-, and K+-ion storage mechanisms in both the O-rich SiO1.5C0.5 and C-rich SiO0.5C1.5 structures using the density functional theory. The ions inserted at the initial discharge process fill the microvoids in the SiOCs. A further ion insertion causes Si–O and Si–C bond cleavage, and thus results in the formation of a large-size free volume, which is favorable for subsequent ion insertion. The reasons for the high Li+-ion storage capacity as compared to Na+-ion are less severe volume expansion, more favorable formation of Li-rich Si compounds and Li–Si alloys. The theoretical K+-ion storage capacities in the O-rich SiO1.5C0.5 and C-rich SiO0.5C1.5 phases are much lower (335 and 186 mAh g−1, respectively) than those of Li+-ion (519 and 681 mAh g−1, respectively) and Na+-ion storages (335 and 681 mAh g−1, respectively). The huge structural instability caused by the repulsive interaction between the K+ ions results in the low storage capacity.
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