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

文献情報

出版日 2014-12-18
DOI 10.1039/C4CP05198J
インパクトファクター 3.676
著者

Alireza Ostadhossein, Ekin D. Cubuk, Georgios A. Tritsaris, Efthimios Kaxiras, Sulin Zhang, Adri C. T. van Duin


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要旨

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.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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