Mechanical properties of amorphous LixSi alloys: a reactive force field study

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作者
Feifei Fan,Shan Huang,Hui Yang,Muralikrishna Raju,Dibakar Datta,Vivek B. Shenoy,Adri C. T. van Duin,Sulin Zhang,Ting Zhu
出处
期刊:Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering [IOP Publishing]
卷期号:21 (7): 074002-074002 被引量:123
标识
DOI:10.1088/0965-0393/21/7/074002
摘要

Silicon is a high-capacity anode material for lithium-ion batteries. Electrochemical cycling of Si electrodes usually produces amorphous LixSi (a-LixSi) alloys at room temperature. Despite intensive investigation of the electrochemical behaviors of a-LixSi alloys, their mechanical properties and underlying atomistic mechanisms remain largely unexplored. Here we perform molecular dynamics simulations to characterize the mechanical properties of a-LixSi with a newly developed reactive force field (ReaxFF). We compute the yield and fracture strengths of a-LixSi alloys under a variety of chemomechanical loading conditions, including the constrained thin-film lithiation, biaxial compression, uniaxial tension and compression. Effects of loading sequence and stress state are investigated to correlate the mechanical responses with the dominant atomic bonding, featuring a transition from the covalent to the metallic glass characteristics with increasing Li concentration. The results provide mechanistic insights for interpreting experiments, understanding properties and designing new experiments on a-LixSi alloys, which are essential to the development of durable Si electrodes for high-performance lithium-ion batteries.
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