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Atomistic Insight into the Role of Porous Structure in Accommodating the Volume Expansion of Silicon Anodes for Lithium-Ion Batteries

材料科学 阳极 多孔性 多孔硅 锂(药物) 重量分析 多孔介质 纳米材料 体积膨胀 化学物理 放松(心理学) 纳米技术 复合材料 化学工程 化学 电极 冶金 医学 心理学 内科学 社会心理学 有机化学 物理化学 工程类 内分泌学
作者
Panupol Untarabut,Kiettipong Banlusan
出处
期刊:Journal of The Electrochemical Society [The Electrochemical Society]
卷期号:170 (11): 110512-110512 被引量:7
标识
DOI:10.1149/1945-7111/ad0757
摘要

Despite possessing high theoretical gravimetric capacity, the practical utilization of silicon anodes for lithium-ion batteries is still challenging because of poor capacity retention caused by massive volume expansion upon lithium insertion. The use of porosity to tackle this issue has widely been scrutinized, and porous silicon materials have been experimentally shown to have improved cycling stability. To provide a fundamental understanding of the structural and chemical evolution, here, we investigate the atomistic behaviors of porous silicon nanowires during lithiation and delithiation by means of a reactive molecular dynamics method. The simulations show that although the porous nanomaterials undergo a large intrinsic volume expansion similar to the non-porous ones, the hollow space available inside the materials can be exploited for lowering the external expansion via the local structure relaxation in the vicinity of the pore. Due to such relaxation, a small pore undergoes structural collapse during the first charge, suggesting that a relatively large pore diameter and a thin wall thickness are required to maintain the porous structural integrity. The simulations also unveil the evolution of the local stresses generated during lithium migration into and out of the materials, which emphasizes the role of porosity in alleviating the induced stresses.

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