首次充电锂硅纳米电池的分子动力学仿真

首次充电锂硅纳米电池的分子动力学仿真

锂电池虽然是现有能源存储装置中应用最为广泛的一种电池，但是仍然需要对其循环特性和存储容量进行研究，以尽可能改善锂电池的性能。纳米结构的纯硅材料具有较大的理论容量（约3600mAh/g），因而常作为锂电池的阳极材料来构成锂硅纳米电池。对锂硅纳米电池的研究重点集中在首次充电过程中纳米结构纯硅阳极出现的体积增大。在极端条件下，纳米结构纯硅阳极的体积可能增大为原来的300%，这将对锂硅纳米电池造成不可逆转的损害。因此，需要在分子级别上对锂硅纳米电池中纳米结构纯硅阳极出现的体积增大现象进行研究。

基于LAMMPS软件对锂硅纳米电池进行分子动力学仿真。仿真设定锂钴氧化物为锂硅纳米电池的阴极材料，设定含有六氟磷酸锂的碳酸乙烯酯溶液为锂硅纳米电池的电解质溶液。首先在LAMMPS软件中构建完整的锂硅纳米电池模型，之后在锂硅纳米电池首次充电时，模拟锂离子通过电解质溶液从阴极到阳极迁移的过程，且随着锂离子的迁移，模拟纳米结构的纯硅阳极逐渐转变为锂硅化合物（Li14Si5）的过程。模拟时，控制锂硅纳米电池的温度低于87℃（360K）。通过仿真发现：①纳米结构纯硅阳极在首次充电过程中出现体积增大的主要原因在于，纳米结构纯硅阳极与电解质溶液的液相界面发生还原反应，生成一层覆盖阳极材料表面的钝化层（SEI膜），这造成阳极厚度显著增加；②纳米结构纯硅阳极的制造工艺参数对其首次充电的体积增大也具有一定程度的影响。

刊名：Journalof MolecularModeling（英）

刊期：2017年第23期

作者：DiegoE. Galvez-Aranda

编译：李臣