Modeling Single-Crystal Battery Materials: From Fundamental Understanding to Performance Evaluation

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作者
Suyue Yuan,Stephen E. Weitzner,Wonseok Jeong,Shenli Zhang,Bo Wang,Longsheng Feng,Jonas L. Kaufman,Kwangnam Kim,Yue Qi,Liwen F. Wan
出处
期刊:Chemical Reviews [American Chemical Society]
卷期号:126 (1): 80-148 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.chemrev.5c00360
摘要

The performance of rechargeable batteries is fundamentally influenced by the physicochemical properties and microstructural features of their key material components. Recent experimental advancements have highlighted the potential of single-crystal (SC) morphologies to address inherent limitations of polycrystalline (PC) electrodes and solid-state electrolytes, offering tunable charge transport kinetics and improved cell cycling performance. This review examines how state-of-the-art computational modeling, from atomistic and mesoscale to continuum-level approaches, including machine learning methodologies, has been utilized to investigate the critical factors governing the electrochemical behavior of SC battery materials. We explore how predictive modeling can elucidate the processing-structure-property-performance relationships of SC cathodes, anodes, and solid-state electrolytes, with a focus on unique SC characteristics such as crystallographic anisotropy, size effects, and facet-dependent properties. Additionally, we identify limitations in commonly used modeling techniques and discuss strategies to address these challenges. By integrating high-fidelity simulations with experimental insights, this review aims to outline a clear path for the rational design and optimization of SC battery components, paving the way for accelerated advancements in energy storage technologies.
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