首次充電鋰硅納米電池的分子動(dòng)力學(xué)仿真

鋰電池雖然是現(xiàn)有能源存儲(chǔ)裝置中應(yīng)用最為廣泛的一種電池，但是仍然需要對其循環(huán)特性和存儲(chǔ)容量進(jìn)行研究，以盡可能改善鋰電池的性能。納米結(jié)構(gòu)的純硅材料具有較大的理論容量（約3600mAh/g），因而常作為鋰電池的陽極材料來構(gòu)成鋰硅納米電池。對鋰硅納米電池的研究重點(diǎn)集中在首次充電過程中納米結(jié)構(gòu)純硅陽極出現(xiàn)的體積增大。在極端條件下，納米結(jié)構(gòu)純硅陽極的體積可能增大為原來的300%，這將對鋰硅納米電池造成不可逆轉(zhuǎn)的損害。因此，需要在分子級別上對鋰硅納米電池中納米結(jié)構(gòu)純硅陽極出現(xiàn)的體積增大現(xiàn)象進(jìn)行研究。

基于LAMMPS軟件對鋰硅納米電池進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)仿真。仿真設(shè)定鋰鈷氧化物為鋰硅納米電池的陰極材料，設(shè)定含有六氟磷酸鋰的碳酸乙烯酯溶液為鋰硅納米電池的電解質(zhì)溶液。首先在LAMMPS軟件中構(gòu)建完整的鋰硅納米電池模型，之后在鋰硅納米電池首次充電時(shí)，模擬鋰離子通過電解質(zhì)溶液從陰極到陽極遷移的過程，且隨著鋰離子的遷移，模擬納米結(jié)構(gòu)的純硅陽極逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殇嚬杌衔铮↙i14Si5）的過程。模擬時(shí)，控制鋰硅納米電池的溫度低于87℃（360K）。通過仿真發(fā)現(xiàn)：①納米結(jié)構(gòu)純硅陽極在首次充電過程中出現(xiàn)體積增大的主要原因在于，納米結(jié)構(gòu)純硅陽極與電解質(zhì)溶液的液相界面發(fā)生還原反應(yīng)，生成一層覆蓋陽極材料表面的鈍化層（SEI膜），這造成陽極厚度顯著增加；②納米結(jié)構(gòu)純硅陽極的制造工藝參數(shù)對其首次充電的體積增大也具有一定程度的影響。

刊名：Journalof MolecularModeling（英）

刊期：2017年第23期

作者：DiegoE. Galvez-Aranda

編譯：李臣