[論文レビュー] Flexo-diffusion effect: the strong influence on lithium diffusion induced by strain gradient

Xu Gao, Feng Hao+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2020

Advancements in Battery Materials被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、フレクソ拡散効果を導入し、二層グラフェンにおける歪み勾配がリチウム拡散障壁を顕著に低下させることを示した。正の歪み勾配下では障壁が著しく低下し、負の勾配下では上昇する。結果として、300 Kにおけるリチウム拡散係数に数個のオーダーの変化が生じ、イオン電導度およびリチウムイオン電池のレート性能の向上に歪み勾配工学を応用する可能性を示した。

ABSTRACT

Lithium ion batteries (LIBs) work under sophisticated external force field and its electrochemical properties could be modulated by strain. Owing to the electro-mechanical coupling, the change of micro-local-structures can greatly affect lithium (Li) diffusion rate in solid state electrolytes and electrode materials of LIBs. In this study, we find that strain gradient in bilayer graphene (BLG) significantly affects Li diffusion barrier, which is termed as the flexo-diffusion effect, through first-principles calculations. The Li diffusion barrier substantially decreases/increases under the positive/negative strain gradient, leading to the change of Li diffusion coefficient in several orders of magnitude at 300 K. Interestingly, the regulation effect of strain gradient is much more significant than that of uniform strain field, which can have a remarkable effect on the rate performance of batteries, with a considerable increase in the ionic conductivity and a slight change of the original material structure. Moreover, our ab initio molecular dynamics simulations (AIMD) show that the asymmetric distorted lattice structure provides a driving force for Li diffusion, resulting in oriented diffusion along the positive strain gradient direction. These findings could extend present LIBs technologies by introducing the novel strain gradient engineering.

研究の動機と目的

• 固体電解質および電極材料における歪み勾配がリチウム拡散に与える影響を調査すること。
• 二層グラフェンにおける電磁機械的結合が微小領域の構造をどのように変化させ、リチウム輸送に影響を与えるかを明らかにすること。
• 歪み勾配の影響を一様な歪み場の影響と比較して、拡散動力学に与える影響を検討すること。
• 非対称な格子歪みがリチウムイオン拡散をどのように指向的に制御するかを理解すること。
• 歪み勾配工学がリチウムイオン電池におけるイオン電導度およびレート性能の向上に果たす可能性を評価すること。

提案手法

• さまざまな歪み勾配下での二層グラフェンにおけるリチウム拡散障壁を第一原理計算で算出する。
• Ab initio 分子動力学（AIMD）シミュレーションを用いて、動的リチウム拡散挙動および格子歪みを分析する。
• 計算された活性化エネルギーに基づき、ア[arrhenius]式を用いてリチウム拡散係数の変化を定量する。
• 歪み勾配の大きさと符号を系統的に変化させ、エネルギー障壁および拡散の指向性に与える影響を評価する。
• 歪み勾配に対する二層グラフェンの構造的応答を分析し、非対称な格子歪みに注目する。
• 歪み勾配下の結果を一様な歪み場下の結果と比較し、相対的な影響を明確にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二層グラフェンにおける歪み勾配は、リチウム拡散の活性化エネルギー障壁にどのように影響するか？
• RQ2 室温下で歪み勾配が誘発するリチウム拡散係数の変化の大きさはどの程度か？
• RQ3 歪み勾配はリチウム拡散の指向性および異方性にどのように影響するか？
• RQ4 フレクソ拡散効果は一様な歪み場の影響と定量的に比較してどの程度顕著か？
• RQ5 非対称な格子歪みと強化された指向的リチウム拡散の間の根本的メカニズムは何か？

主な発見

• 正の歪み勾配下では、二層グラフェンにおけるリチウム拡散障壁が著しく低下し、一様な歪み場と比較して数個のオーダーも顕著に大きい。
• 負の歪み勾配下では、リチウム拡散障壁が顕著に上昇し、歪み勾配制御による拡散キネティクスのチューニングが可能であることが示された。
• 300 Kで、歪み勾配効果によりリチウム拡散係数が数個のオーダー変化し、イオン電導度の強いチューニング可能性を示した。
• Ab initio 分子動力学シミュレーションにより、歪み勾配が誘発する非対称な格子歪みが、正の歪み勾配方向への指向的拡散の駆動力となることが確認された。
• フレクソ拡散効果は一様な歪み場の影響よりも顕著に強く、イオン輸送を調整するより効果的なパスウェイを提供する。
• 元の材料構造はわずかにしか変化していないため、歪み勾配工学は構造的整合性を損なわずに性能向上が可能である。