A new universal force-field for the Li2S–P2S5 system

文献情報

出版日 2022-01-07
DOI 10.1039/D1CP05393K
インパクトファクター 3.676
著者

Shunsuke Ariga, Takahiro Ohkubo, Shingo Urata, Yutaka Imamura, Taketoshi Taniguchi


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要旨

Lithium thiophosphate electrolyte is a promising material for application in all-solid-state batteries. Ab initio molecular dynamics (AIMD) simulations have been used to investigate the ion conduction mechanisms in single-crystalline and glassy compounds. However, the complexity of real materials (e.g., materials with grain boundaries and multiphase glass-ceramics) causes AIMD simulations to have high computational cost. To overcome this computational limitation, we developed a new interatomic potential for classical molecular dynamics (CMD) simulations of Li solid-state electrolytes. The training datasets were generated from representative sulfide electrolytes (β-Li3PS4, γ-Li3PS4, Li4P2S6, Li7P3S11, and Li7PS6 crystals and 70Li2S–30P2S5 glass). Using the functional forms of the Class II and Stillinger–Weber potentials, all parameters were optimized by minimizing the differences in forces on atoms, stresses, and potential energies between the CMD and AIMD results. Subsequent validation showed that the optimized parameters can reproduce the dynamics of Li+ as well as the structures of the crystalline and glassy materials. The ionic conductivity of Li7P3S11 crystal was approximately five times that of the isostoichiometric 70Li2S–30P2S5 glass, indicating that CMD simulations using the developed force-field accurately reproduced the effective conduction path in Li7P3S11 from AIMD. The developed force-field parameters make it possible to simulate complex materials including amorphous–crystalline interfaces and multiphase glass-ceramics in the CMD framework.

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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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