Phase-field simulation for voltage profile of LixSn nanoparticle during lithiation/delithiation

阳极 材料科学 电压 电极 相(物质) 热力学 同质性(统计学) 统计物理学 物理 计算机科学 机器学习 量子力学
作者
Qi Huang,Simon Daubner,Shiwei Zhang,Daniel Schneider,Britta Nestler,Hong Mao,Shuhong Liu,Yong Du
出处
期刊:Computational Materials Science [Elsevier BV]
卷期号:220: 112047-112047 被引量:9
标识
DOI:10.1016/j.commatsci.2023.112047
摘要

Tin has become one of the most promising anode materials due to its large theoretical capacity. The multi-phase transformations occurring during the (de-)lithiation process have posed a severe challenge to study their thermodynamic, kinetic and elastic properties via computational methods. In this work, a phase-field framework consisting of phase-concentration equations and Allen-Cahn equations is established. Two concepts to deliver thermodynamic and elasticity data as input quantities for the phase-field model are proposed, namely from density functional theory calculations and the thermodynamic energy of stoichiometric compounds. Using the formulated and configured phase-field model, voltage profiles, composition profiles, phases, and stress distributions of the electrode during the charging/discharging cycles are simulated. The effects of varying applied current densities and the homogeneity/inhomogeneity of the eigenstrain within the electrode on the voltage profile are discussed. According to simulation results, the establishment of stable voltage output remains a challenge under a higher C-rate due to inhomogeneous phase or stress distribution within the nanoparticle. A simulation-based derivation of linkages between electrode morphology, charging rate, stress, and capacity retention could enable an advanced design of electrode microstructures.
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