Stress effects on the initial lithiation of crystalline silicon nanowires: reactive molecular dynamics simulations using ReaxFF

雷亚克夫 材料科学 分子动力学 无定形固体 晶体硅 纳米线 化学物理 相(物质) 透射电子显微镜 化学工程 纳米技术 结晶学 计算化学 化学 原子间势 有机化学 冶金 工程类
作者
Alireza Ostadhossein,Ekin D. Cubuk,Georgios A. Tritsaris,Efthimios Kaxiras,Sulin Zhang,Adri C. T. van Duin
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [Royal Society of Chemistry]
卷期号:17 (5): 3832-3840 被引量:107
标识
DOI:10.1039/c4cp05198j
摘要

Silicon (Si) has been recognized as a promising anode material for the next-generation high-capacity lithium (Li)-ion batteries because of its high theoretical energy density. Recent in situ transmission electron microscopy (TEM) revealed that the electrochemical lithiation of crystalline Si nanowires (c-SiNWs) proceeds by the migration of the interface between the lithiated Si (LixSi) shell and the pristine unlithiated core, accompanied by solid-state amorphization. The underlying atomic mechanisms of Li insertion into c-Si remain poorly understood. Herein, we perform molecular dynamics (MD) simulations using the reactive force field (ReaxFF) to characterize the lithiation process of c-SiNWs. Our calculations show that ReaxFF can accurately reproduce the energy barriers of Li migration from DFT calculations in both crystalline (c-Si) and amorphous Si (a-Si). The ReaxFF-based MD simulations reveal that Li insertion into interlayer spacing between two adjacent (111) planes results in the peeling-off of the (111) facets and subsequent amorphization, in agreement with experimental observations. We find that breaking of the Si-Si bonds between (111)-bilayers requires a rather high local Li concentration, which explains the atomically sharp amorphous-crystalline interface (ACI). Our stress analysis shows that lithiation induces compressive stress at the ACI layer, causing retardation or even the stagnation of the reaction front, also in good agreement with TEM observations. Lithiation at high temperatures (e.g. 1200 K) shows that Li insertion into c-SiNW results in an amorphous to crystalline phase transformation at Li : Si composition of ∼4.2 : 1. Our modeling results provide a comprehensive picture of the effects of reaction and diffusion-induced stress on the interfacial dynamics and mechanical degradation of SiNW anodes under chemo-mechanical lithiation.

科研通智能强力驱动
Strongly Powered by AbleSci AI
科研通是完全免费的文献互助平台,具备全网最快的应助速度,最高的求助完成率。 对每一个文献求助,科研通都将尽心尽力,给求助人一个满意的交代。
实时播报
打打应助ADChem_JH采纳,获得10
刚刚
Qqiao完成签到 ,获得积分10
7秒前
7秒前
dmr完成签到,获得积分10
7秒前
南攻完成签到,获得积分10
11秒前
平常的半莲完成签到 ,获得积分10
14秒前
有魅力的桐完成签到 ,获得积分10
14秒前
sunwsmile完成签到 ,获得积分10
15秒前
超超~完成签到,获得积分10
17秒前
lili完成签到 ,获得积分10
18秒前
luqong完成签到,获得积分10
19秒前
罗晴完成签到 ,获得积分10
20秒前
橙子完成签到,获得积分20
22秒前
kanong完成签到,获得积分0
32秒前
十字路口完成签到 ,获得积分10
34秒前
zhaoyaoshi完成签到 ,获得积分10
35秒前
gzhy完成签到,获得积分10
38秒前
ARIA完成签到 ,获得积分10
41秒前
科研通AI2S应助Bin_Liu采纳,获得10
52秒前
57秒前
1分钟前
噗愣噗愣地刚发芽完成签到 ,获得积分10
1分钟前
雪上一枝蒿完成签到,获得积分10
1分钟前
wintersss完成签到,获得积分10
1分钟前
棒棒糖完成签到 ,获得积分10
1分钟前
科研通AI6.1应助xiaolizi采纳,获得10
1分钟前
sjyu1985完成签到 ,获得积分0
1分钟前
马大帅完成签到,获得积分10
1分钟前
红红完成签到,获得积分10
1分钟前
jjy完成签到,获得积分10
1分钟前
gurui完成签到,获得积分10
1分钟前
cc完成签到 ,获得积分10
1分钟前
航行天下完成签到 ,获得积分10
1分钟前
depravity完成签到 ,获得积分10
1分钟前
打打应助阔达丹亦采纳,获得10
1分钟前
科研通AI6.2应助xiaolizi采纳,获得10
1分钟前
chichenglin完成签到 ,获得积分0
1分钟前
英吉利25发布了新的文献求助10
1分钟前
张图门完成签到 ,获得积分10
1分钟前
1分钟前
高分求助中
(应助此贴封号)【重要!!请各用户(尤其是新用户)详细阅读】【科研通的精品贴汇总】 10000
Developing Genetic Editing Tools for Lysobacter 2000
Adhesion Science: Principles & Practice 800
The Graphene Handbook (2019 Edition) 700
Signals, Systems, and Signal Processing 610
IEST-RP-CC018: Cleanroom Cleaning and Sanitization: Operating and Monitoring Procedures 600
Fundamentals of Pharmaceutical and Biologics Regulations: A Global Perspective, Second Edition 600
热门求助领域 (近24小时)
化学 材料科学 医学 生物 纳米技术 工程类 有机化学 化学工程 生物化学 计算机科学 物理 内科学 复合材料 催化作用 物理化学 光电子学 电极 细胞生物学 基因 无机化学
热门帖子
关注 科研通微信公众号,转发送积分 6530280
求助须知:如何正确求助?哪些是违规求助? 8323009
关于积分的说明 17817913
捐赠科研通 5631630
什么是DOI,文献DOI怎么找? 2932088
邀请新用户注册赠送积分活动 1908736
关于科研通互助平台的介绍 1768045