Insights into the Li Diffusion Mechanism in Si/C Composite Anodes for Lithium-Ion Batteries

材料科学 阳极 锂(药物) 复合数 密度泛函理论 化学物理 离子 碳纤维 纳米技术 扩散 电极 复合材料 计算化学 光电子学 物理化学 热力学 医学 化学 物理 内分泌学 量子力学
作者
Xiang Gao,Wenquan Lu,Jun Xu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (18): 21362-21370 被引量:63
标识
DOI:10.1021/acsami.1c03366
摘要

Recently, Si/C composite materials have attracted enormous research interest as the most promising candidates for the anodes of next-generation lithium-ion batteries, owing to their high energy density and mechanical buffering property. However, the fundamental mechanism of Li diffusion behavior in various Si/C composite materials remains unclear, with our understanding limited by experimental techniques and continuum modeling methodologies. Herein, the atomic behavior of Li diffusion in the Si/C composite material is studied within the framework of density functional theory. Two representative structural mixing formats, that is, simple mixture mode and core-shell mode, are modeled and compared. We discover that the carbon material increases Li diffusion in silicon from 7.75 × 10-5 to 2.097 × 10-4 cm2/s. The boost is about 50% more obvious in the mixture mode, while the core-shell structure shows more dependence on the atomic structures of the carbon layer. These results offer new insights into Li diffusion behavior in Si/C composites and unlock the enhancing mechanism for Li diffusion in Si/C. This understanding facilitates the modeling of batteries with composite anodes and will guide the corresponding structure designs for robust and high-energy-density batteries.
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