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.
最长约 10秒,即可获得该文献文件

科研通智能强力驱动
Strongly Powered by AbleSci AI
更新
PDF的下载单位、IP信息已删除 (2025-6-4)

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
冷静的伊完成签到,获得积分10
2秒前
在水一方应助qsmei2020采纳,获得10
3秒前
杀猪刀完成签到,获得积分10
3秒前
8秒前
田様应助爱偷懒的猪采纳,获得30
9秒前
猫独秀完成签到,获得积分10
12秒前
12秒前
研发小学生完成签到,获得积分10
13秒前
打打应助读书的时候采纳,获得10
13秒前
浮梦完成签到,获得积分20
14秒前
provin发布了新的文献求助10
14秒前
clairr完成签到,获得积分10
15秒前
内向的小凡完成签到,获得积分0
15秒前
浮梦发布了新的文献求助10
18秒前
杀猪刀发布了新的文献求助10
19秒前
idemipere完成签到,获得积分10
20秒前
Mannone完成签到,获得积分10
21秒前
23秒前
自愚自乐完成签到,获得积分20
23秒前
24秒前
24秒前
量子星尘发布了新的文献求助10
24秒前
25秒前
在水一方应助mfn采纳,获得10
25秒前
柏达发布了新的文献求助30
26秒前
大个应助小潘同学采纳,获得10
26秒前
羊水彤完成签到,获得积分10
27秒前
hy完成签到 ,获得积分20
28秒前
28秒前
叶子发布了新的文献求助10
29秒前
芒竹发布了新的文献求助10
29秒前
稚祎完成签到 ,获得积分10
31秒前
葡萄小伊ovo完成签到 ,获得积分10
31秒前
Orange应助科研通管家采纳,获得10
31秒前
vvv应助科研通管家采纳,获得10
31秒前
星辰大海应助科研通管家采纳,获得10
31秒前
管海彪发布了新的文献求助10
31秒前
orixero应助科研通管家采纳,获得10
31秒前
英俊的铭应助科研通管家采纳,获得30
31秒前
ding应助科研通管家采纳,获得10
31秒前
高分求助中
【提示信息,请勿应助】关于scihub 10000
Les Mantodea de Guyane: Insecta, Polyneoptera [The Mantids of French Guiana] 3000
The Mother of All Tableaux: Order, Equivalence, and Geometry in the Large-scale Structure of Optimality Theory 3000
徐淮辽南地区新元古代叠层石及生物地层 2000
A new approach to the extrapolation of accelerated life test data 1000
Robot-supported joining of reinforcement textiles with one-sided sewing heads 400
北师大毕业论文 基于可调谐半导体激光吸收光谱技术泄漏气体检测系统的研究 390
热门求助领域 (近24小时)
化学 材料科学 医学 生物 工程类 有机化学 生物化学 物理 内科学 纳米技术 计算机科学 化学工程 复合材料 遗传学 基因 物理化学 催化作用 冶金 细胞生物学 免疫学
热门帖子
关注 科研通微信公众号,转发送积分 4023984
求助须知:如何正确求助?哪些是违规求助? 3563926
关于积分的说明 11343896
捐赠科研通 3295229
什么是DOI,文献DOI怎么找? 1815014
邀请新用户注册赠送积分活动 889628
科研通“疑难数据库(出版商)”最低求助积分说明 813074