Multiscale Modeling of Solid Electrolyte Interphase Formation on Oxygen-Functionalized Graphite Anodes for Lithium-Ion Batteries

材料科学 阳极 石墨 电解质 多尺度建模 相间 纳米技术 溶解 分子动力学 表面改性 电极 电化学 化学物理 电池(电) 离子键合 化学工程 电导率 密度泛函理论 粘度 离子液体 离子电导率 机制(生物学) 复合数 碳纳米管 组分(热力学) 快离子导体 扩散限制聚集 导电体
作者
Weiyi Cheng,Qiu Lv,Haojiang Yao,Yuebin Zhang,Guohui Li
出处
期刊:Journal of Chemical Theory and Computation [American Chemical Society]
卷期号:22 (2): 1030-1045
标识
DOI:10.1021/acs.jctc.5c01561
摘要

The solid electrolyte interphase (SEI) plays a crucial regulatory role in the electrochemical reversibility of lithium-ion batteries, yet understanding of its formation mechanism remains limited due to compositional complexity. By integrating a multiscale simulation framework combining density functional theory (DFT), molecular dynamics (MD) and the REACTER protocol, which dynamically updates molecular topologies to simulate bond-breaking and formation in fixed-valence force fields, enhanced with topology-mapped reaction templates and physics-informed constraints, we elucidate the atomistic mechanisms governing the initial formation of the SEI on pristine and functionalized graphite anodes (O-terminated, OH-terminated, and O/OH-terminated). Simulation results reveal that functionalized graphite surfaces universally exhibit three-stage SEI growth kinetics: rapid initial formation, transition regulation, and steady-state growth phases. A key finding reveals that OH-terminated surfaces accelerate the formation of thin but densely structured inorganic/organic composite SEI layers, which effectively suppress component dissolution into the electrolyte. This optimized interface exhibits superior transport properties within the interfacial region between the SEI and the electrolyte, demonstrating enhanced ionic conductivity and favorable viscosity characteristics. Our multiscale analysis highlights electrode surface functionalization as a highly promising strategy for controlling SEI growth mechanisms, providing fundamental principles for the rational design of high-performance battery interfaces.
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