Electrochemical Nucleation and Growth in Battery Electrodes under Reactant-Limited Conditions

成核 电解质 电化学 材料科学 电极 电池(电) 热力学 化学工程 锂(药物) 增长率 化学物理 反应速率常数 常量(计算机编程) 化学 多硫化物 无机化学 时间常数 工作(物理) 晶体生长
作者
Jing Yu,Irina Martynova,Zeyan Li,Xiaoyu Bi,Cheng Zhang,Qing Sun,Jordi Arbiol,Andreu Cabot
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.5c06068
摘要

Nucleation and growth of solid phases from species dissolved in an electrolyte govern battery performance, defining capacity, efficiency, rate capability, stability, and safety. However, classical nucleation-growth models often do not realistically describe working cells, failing to capture highly asymmetric out-of-plane growth and finite reactant supply. Here, we introduce a nucleation-growth model to fit potentiostatic nucleation transients that explicitly accounts for a finite amount of reactant and its depletion, reproducing the characteristic current rise upon nucleation, peak, and subsequent decay without ad hoc corrections. Both instantaneous nucleation and progressive nucleation are considered. The model is applied to the nucleation and growth of Li2S at a catalyzed electrode from a lithium polysulfide solution, yielding nucleus densities of up to 6.7 × 109 cm-2 and an effective reaction rate constant of 1.8 × 10-3 s-1. Beyond Li-S batteries, the framework can be extended to other conversion and metal-deposition chemistries in which finite-supply effects dominate.
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