利用相场模型解释 TiO$_2$-锐钛矿锂离子电池电极中锂化的关键特性
材料科学
2017-07-28 v2 化学物理
摘要
提升锂离子电池性能需要开发能够捕捉锂离子电池电极材料中基本物理和化学过程的模型。本文提出了一种新型电化学相场模型，该模型捕捉了锂嵌入 TiO-锐钛矿（一种知名且被深入研究的锂离子电池电极材料）的热力学和动力学特性。此前关于锂化锐钛矿 TiO 的实验工作提供了相场模拟所需的所有参数，从而有机会深入了解锐钛矿的锂化过程并验证该相场模型。该相场模型捕捉了实验中观察到的基本现象，合理解释了 C 倍率、颗粒尺寸、表面积以及记忆效应对锐钛矿作为锂离子电池电极性能的影响，从而提供了锐钛矿 TiO 锂化过程的全面物理图像。模拟结果表明，锐钛矿的性能受限于颗粒表面形成的 LiTiO 相中较差的锂离子扩散。与其他电极材料不同，单个锐钛矿颗粒的动力学局限性限制了完整电极的性能。因此，提升锐钛矿 TiO 电极性能的关键不在于改善电极中的离子和电子网络，而在于防止颗粒表面形成阻塞性的 LiTiO 相。此外，仅包含文献参数的相场模型与广泛实验结果的定性一致性，展示了相场模型在理解锂离子电池电极材料方面的能力，及其通过深入理解材料属性及其相互作用来指导电极设计的潜力。
引用
@article{arxiv.1706.09686,
title = {Explaining key properties of lithiation in TiO$_2$-anatase Li-ion battery electrodes using phase-field modelling},
author = {Niek J. J. de Klerk and Alexandros Vasileiadis and Raymond B. Smith and Martin Z. Bazant and Marnix Wagemaker},
journal= {arXiv preprint arXiv:1706.09686},
year = {2017}
}
备注
18 pages, 11 figures, Supplementary Information available. Changes with respect to the previous version: Corrected typography in certain formulas, and a couple of small corrections to the text