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Reactivity of Carbonate Solvent Electrolytes on Lithium Silicon Anodes

碳酸乙烯酯 材料科学 电解质 反应性(心理学) 锂(药物) 电化学 溶剂 碳酸锂 阳极 碳酸盐 离解(化学) 无机化学 密度泛函理论 分子动力学 碳酸二甲酯 化学工程 碳酸丙烯酯 极化(电化学) 相间 锂离子电池 盐(化学) 六氟磷酸盐 钝化 电化学电位 锂电池
作者
Heonjae Jeong,Christopher S. Johnson
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (39): 54633-54645 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acsami.5c08232
摘要

Silicon (Si) is promising for lithium-ion battery (LIB) anodes due to their high theoretical capacity and low electrochemical potential. However, significant challenges remain, including severe volumetric expansion during cycling and the electrochemical instability of electrolytes, which leads to the formation of a nonuniform solid electrolyte interphase (SEI). To investigate SEI formation mechanisms, computational molecular dynamics simulations offer valuable insights. In this study, we examine the trajectories and charge transfer behavior of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) salt with various solvent compositions using density functional theory (DFT) and ab initio molecular dynamics (AIMD). Among the tested electrolyte systems, LiPF 6 with vinylene carbonate (VC) added to ethyl methyl carbonate (EMC) exhibits the lowest reactivity with the Si anode. In contrast, the effects of fluoroethylene carbonate (FEC) and VC depend on whether the primary solvent is EMC alone or a mixture of ethylene carbonate (EC) and EMC. Moreover, we show that electrolyte reactivity varies with the degree of lithiation of the Si anode (LiSi vs Li 15 Si 4 ) and under different charge states. To decouple electrolyte reactivity from surface effects, we analyze the dissociation and formation energies of individual species from solvated configurations. Overall, these first-principles-based findings provide a strategic foundation for electrolyte design to improve cycling stability and extend calendar life in LIBs using Si anodes.
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