锂离子电池正极涂层中的锂输运

使用绝缘体薄膜对正极进行表面涂层已被证明是稳定锂离子电池高电压正极的一种有前景的方法。然而，关于这些薄膜如何发挥作用，特别是在重要的涂层设计原则如锂溶解度和通过薄膜的输运方面，仍存在很大的不确定性。本研究利用密度泛函理论，考察了间隙锂在晶体 {\alpha}-$AlF_3$、{\alpha}-$Al_2O_3$、m-$ZrO_2$、c-MgO 和 {\alpha}-石英 $SiO_2$ 中的扩散性，这些为深入理解绝缘体涂层提供了基准案例。此外，我们提出了一个欧姆电解质模型，以预测电池工作条件下的电阻率和过电位贡献。对于所考虑的晶体材料，我们预测 Li+ 扩散相当缓慢，除 {\alpha}-石英 $SiO_2$ 外，所有晶体材料中的迁移势垒均大于 0.9 eV，而 {\alpha}-石英 $SiO_2$ 沿 <001> 方向的迁移势垒预计为 0.276 eV。这些结果表明，除了取向的 {\alpha}-石英 $SiO_2$ 外，这些绝缘体材料的稳定晶体形式不适用于共形正极涂层。非晶 $Al_2O_3$ 和 $AlF_3$ 具有比其晶体对应物更高的 Li+ 扩散性。我们预测的非晶 $Al_2O_3$ 电阻率（1789 M{\Omega}m）接近从先前名义 $Al_2O_3$ 涂层实验中提取的拟合电阻率范围（7.8 至 913 M{\Omega}m）的上限，而我们预测的非晶 $AlF_3$ 电阻率（114 M{\Omega}m）接近该范围的中间值。这些比较支持了我们基于基本热力学和动力学性质来建模和理解共形涂层对过电位影响的框架，并支持这些材料在其非晶形式下可以提供实用的共形涂层。