[논문 리뷰] Flexo-diffusion effect: the strong influence on lithium diffusion induced by strain gradient

Xu Gao, Feng Hao외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 13.

Advancements in Battery Materials인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 플렉소-디퓨전 효과를 도입하며, 이중층 그래핀에서의 변형률 기울기가 리튬 확산 장벽을 극적으로 감소시킴을 입증한다—양의 변형률 기울기에서는 장벽을 크게 낮추고 음의 기울기에서는 증가시키며, 이로 인해 300 K에서 리튬 확산 계수에 수개의 주기 수준의 변화가 발생한다. 이는 변형률 기울기 공 ing을 통해 리튬 이온 배터리의 이온 전도도와 고속 성능을 향상시킬 수 있음을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고체 상태 전해질 및 전극 재료에서 변형률 기울기가 리튬 확산에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 이중층 그래핀에서의 전기기계적 결합이 미세 지역 구조를 어떻게 변화시키고 리튬 이동에 영향을 주는지 탐구하는 것.
• 균일한 변형률 필드와의 영향을 비교하여 확산 동역학에 미치는 변형률 기울기의 영향을 분석하는 것.
• 비대칭 격자 비틀림이 리튬 이온 확산을 어떻게 유도하는지 이해하는 것.
• 변형률 기울기 공 ing이 리튬 이온 배터리의 이온 전도도와 고속 성능 향상 잠재력을 평가하는 것.

제안 방법

• 다양한 변형률 기울기 조건에서 이중층 그래핀의 리튬 확산 장벽을 계산하기 위해 처음 원리 계산을 적용하였다.
• 역학적 리튬 확산 거동과 격자 비틀림을 분석하기 위해 아비-아이디오 분자 동역학(AIMD) 시뮬레이션을 적용하였다.
• 계산된 활성화 장벽을 바탕으로 아레니우스 방정식을 사용하여 리튬 확산 계수의 변화를 정량화하였다.
• 변형률 기울기의 크기와 부호를 체계적으로 변화시켜 에너지 장벽과 확산 방향성에 미치는 영향을 평가하였다.
• 비대칭 격자 비틀림에 초점을 맞춰 이중층 그래핀의 구조적 반응을 분석하였다.
• 균일한 변형률 필드 조건과의 결과를 비교하여 상대적 영향을 부각시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중층 그래핀에서의 변형률 기울기가 리튬 확산의 활성화 에너지 장벽에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 실온에서 변형률 기울기가 리튬 확산 계수에 미치는 변화의 크기는 얼마인가?
• RQ3 변형률 기울기가 리튬 확산의 방향성과 이방성에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ4 플렉소-디퓨전 효과는 균일한 변형률 필드의 영향과 정량적으로 어떻게 비교되는가?
• RQ5 비대칭 격자 비틀림이 향상된 방향성 리튬 이온 확산을 이끄는 기초 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 양의 변형률 기울기 조건에서는 이중층 그래핀에서 리튬 확산 장벽이 극적으로 감소하며, 이는 균일한 변형률보다 수개의 주기 수준 더 뚜렷한 영향을 미친다.
• 음의 변형률 기울기 조건에서는 리튬 확산 장벽이 크게 증가하여, 변형률 기울기 제어를 통한 확산 동역학의 조절 가능성을 시사한다.
• 300 K에서 변형률 기울기 효과로 인해 리튬 확산 계수가 수개의 주기 수준으로 변화하며, 이온 전도도의 강력한 조절 가능성을 입증한다.
• 아비-아이디오 분자 동역학 시뮬레이션은 변형률 기울기로 유도된 비대칭 격자 비틀림이 양의 변형률 기울기 방향으로 방향성 확산을 촉진하는 추진력이 된다는 것을 확인한다.
• 플렉소-디퓨전 효과는 균일한 변형률 필드의 영향보다 뚜렷하게 강력하여, 이온 이동 조절을 위한 더 효과적인 경로를 제공한다.
• 원래의 재료 구조는 약간만 변화하며, 이는 변형률 기울기 공 ing이 구조적 안정성을 훼손하지 않고 성능 향상을 가능하게 한다는 것을 시사한다.