Anisotropic volume expansion of crystalline silicon during electrochemical lithium insertion: An atomic level rationale

Nano Letters

Volumn 12, Issue 10, 2012, Pages 5342-5347

  Jung, Sung Chul ^a   Choi, Jang Wook ^b   Han, Young Kyu ^a  

^a Korea Basic Science Institute (KBSI)   (South Korea)

^b Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)   (South Korea)

Author keywords

anisotropic volume expansion; density functional calculation; interfacial energy; Lithium ion battery; molecular dynamics; silicon anode

Indexed keywords

ATOMIC LEVELS; CRYSTALLINE SILICONS; ELECTROCHEMICAL LITHIUM INSERTION; HIGH CAPACITY; INTERFACE FORMATION; LITHIATION; LITHIUM DIFFUSION; LITHIUM-ION BATTERY; MOLECULAR DYNAMICS SIMULATIONS; SI ANODES; SI(110); SILICON ANODE; STRUCTURAL CHARACTERISTICS; VOLUME EXPANSION;

ANISOTROPY; ATOMS; CALCULATIONS; DENSITY FUNCTIONAL THEORY; EXPANSION; INTERFACIAL ENERGY; LITHIUM; LITHIUM BATTERIES; MOLECULAR DYNAMICS; SILICON;

AMORPHOUS SILICON;

EID: 84867468825     PISSN: 15306984     EISSN: 15306992     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/nl3027197     Document Type: Article

References (52)

1. Tarascon, J.-M.; Armand, M. Nature 2001, 414 (6861) 359-367
2. Armand, M.; Tarascon, J.-M. Nature 2008, 451 (7179) 652-657
3. Tollefson, J. Nature 2008, 456 (7221) 436-440
4. Bruce, P. G.; Scrosati, B.; Tarascon, J.-M. Angew. Chem., Int. Ed. 2008, 47 (16) 2930-2946
5. Whittingham, M. S. MRS Bull. 2008, 33 (4) 411-419
6. Kasavajjula, U.; Wang, C.; Appleby, A. J. J. Power Sources 2007, 163 (2) 1003-1039
7. Park, C.-M.; Kim, J.-H.; Kim, H.; Sohn, H.-J. Chem. Soc. Rev. 2010, 39 (8) 3115-3141
8. Zhang, W.-J. J. Power Sources 2011, 196 (1) 13-24
9. Zhang, Q.; Zhang, W.; Wan, W.; Cui, Y.; Wang, E. Nano Lett. 2010, 10 (9) 3243-3249
10. Limthongkul, P.; Jang, Y. I.; Dudney, N. J.; Chiang, Y.-M. Acta Mater. 2003, 51 (4) 1103-1113
11. Beaulieu, L. Y.; Hatchard, T. D.; Bonakdarpour, A.; Fleischauer, M. D.; Dahn, J. R. J. Electrochem. Soc. 2003, 150 (11) A1457-A1464
12. Saint, J.; Morcrette, M.; Larcher, D.; Laffont, L.; Beattie, S.; Peres, J. P.; Talaga, D.; Couzi, M.; Tarascon, J.-M. Adv. Funct. Mater. 2007, 17 (11) 1765-1774
13. Ng, S.; Wang, J.; Wexler, D.; Konstantinov, K.; Guo, Z.; Liu, H. Angew. Chem., Int. Ed. 2006, 45 (41) 6896-6899
14. Larcher, D.; Beattie, S.; Morcrette, M.; Edstroem, K.; Jumas, J.-C.; Tarascon, J.-M. J. Mater. Chem. 2007, 17 (36) 3759-3772
15. Zhou, S.; Liu, X. H.; Wang, D. W. Nano Lett. 2010, 10 (3) 860-863
16. McDowell, M. T.; Lee, S. W.; Wang, C.; Cui, Y. Nano Energy 2012, 1 (3) 401-410
17. Yao, Y.; McDowell, M. T.; Ryu, I.; Wu, H.; Liu, N.; Hu, L.; Nix, W. D.; Cui, Y. Nano Lett. 2011, 11 (7) 2949-2954
18. Huggins, R. A.; Nix, W. D. Ionics 2000, 6 (1-2) 57-63
19. Chan, C. K.; Peng, H.; Liu, G.; McIlwrath, K.; Zhang, X. F.; Huggins, R. A.; Cui, Y. Nat. Nanotechnol. 2008, 3 (1) 31-35
20. Cui, L.-F.; Ruffo, R.; Chan, C. K.; Peng, H.; Cui, Y. Nano Lett. 2009, 9 (1) 491-495
21. Kim, H.; Seo, M.; Park, M. H.; Cho, J. Angew. Chem., Int. Ed. 2010, 49 (12) 2146-2149
22. Hwang, T. H.; Lee, Y. M.; Kong, B.-S.; Seo, J.-S.; Choi, J. W. Nano Lett. 2012, 12 (2) 802-807
23. Song, T.; Xia, J.; Lee, J.-H.; Lee, D. H.; Kwon, M.-S.; Choi, J.-M.; Wu, J.; Doo, S. K.; Chang, H.; Park, W. I.; Zang, D. S.; Kim, H.; Huang, Y. G.; Hwang, K. C.; Rogers, J. A.; Paik, U. Nano Lett. 2010, 10 (5) 1710-1716
24. Wu, H.; Chan, G.; Choi, J. W.; Ryu, I.; Yao, Y.; McDowell, M. T.; Lee, S. W.; Jackson, A.; Yang, Y.; Hu, L.; Cui, Y. Nat. Nanotechnol. 2012, 7 (5) 310-315
25. Lee, S. W.; McDowell, M. T.; Choi, J. W.; Cui, Y. Nano Lett. 2011, 11 (7) 3034-3039
26. Liu, X. H.; Zheng, H.; Zhong, L.; Huang, S.; Karki, K.; Zhang, L. Q.; Liu, Y.; Kushima, A.; Liang, W. T.; Wang, J. W.; Cho, J.-H.; Epstein, E.; Dayeh, S. A.; Picraux, S. T.; Zhu, T.; Li, J.; Sullivan, J. P.; Cumings, J.; Wang, C.; Mao, S. X.; Ye, Z. Z.; Zhang, S.; Huang, J. Y. Nano Lett. 2011, 11 (8) 3312-3318
27. Goldman, J. L.; Long, B. R.; Gewirth, A. A.; Nuzzo, R. G. Adv. Funct. Mater. 2011, 21 (13) 2412-2422
28. Lee, S. W.; McDowell, M. T.; Berla, L. A.; Nix, W. D.; Cui, Y. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2012, 109 (11) 4080-4085
29. Ryu, I.; Choi, J. W.; Cui, Y.; Nix, W. D. J. Mech. Phys. Solids 2011, 59 (9) 1717-1730
30. Cui, Z.; Gao, F.; Qu, J. J. Mech. Phys. Solids 2012, 60 (7) 1280-1295
31. Pharr, M.; Zhao, K.; Wang, X.; Suo, Z.; Vlassak, J. J. Nano Lett. 2012, 12 (9) 5039-5047
32. Zhao, K.; Pharr, M.; Wan, Q.; Wang, W. L.; Kaxiras, E.; Vlassak, J. J.; Suo, Z. J. Electrochem. Soc. 2012, 159 (3) A238-A243
33. Yang, H.; Huang, S.; Huang, X.; Fan, F.; Liang, W.; Liu, X. H.; Chen, L.-Q.; Huang, J. Y.; Li, J.; Zhu, T.; Zhang, S. Nano Lett. 2012, 12 (4) 1953-1958
34. Tiller, W. A. The Science of Crystallization: Microscopic Interfacial Phenomena; Cambridge University Press: New York, 1991.
35. Auer, S.; Frenkel, D. Nature 2001, 409 (6823) 1020-1023
36. Haxhimali, T.; Karma, A.; Gonzales, F.; Rappaz, M. Nat. Mater. 2006, 5 (8) 660-664
37. Key, B.; Bhattacharyya, R.; Morcrette, M.; Seznéc, V.; Tarascon, J.-M.; Grey, C. P. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131 (26) 9239-9249
38. Li, J.; Dahn, J. R. J. Electrochem. Soc. 2007, 154 (3) A156-A161
39. Wu, Y.; Cui, Y.; Huynh, L.; Barrelet, C. J.; Bell, D. C.; Lieber, C. M. Nano Lett. 2004, 4 (3) 433-436
40. Xiang, Y.; Wu, X.; Liu, D.; Jiang, X.; Chu, W.; Li, Z.; Ma, Y.; Zhou, W.; Xie, S. Nano Lett. 2006, 6 (10) 2290-2294
41. Chon, M. J.; Sethuraman, V. A.; McCormick, A.; Srinivasan, V.; Guduru, P. R. Phys. Rev. Lett. 2011, 107 (4) 045503
42. Chadi, D. J. Phys. Rev. Lett. 1979, 43, 43-47
43. Johari, P.; Qi, Y.; Shenoy, V. B. Nano Lett. 2011, 11 (12) 5494-5500
44. Cui, Z.; Gao, F.; Cui, Z.; Qu, J. J. Power Sources 2012, 207, 150-159
45. Perdew, J. P.; Burke, K.; Ernzerhof, M. Phys. Rev. Lett. 1996, 77 (18) 3865-3868
46. Blöchl, P. E. Phys. Rev. B 1994, 50 (24) 17953-17979
47. Kresse, G.; Joubert, D. Phys. Rev. B 1999, 59 (3) 1758-1775
48. Kresse, G.; Furthmüller, J. Phys. Rev. B 1996, 54 (16) 11169-11186
49. Kittel, C. Introduction to Solid State Physics; Wiley: New York, 2005.
50. Nosé, S. J. Chem. Phys. 1984, 81 (1) 511-519
51. Hoover, W. G. Phys. Rev. A 1985, 31 (3) 1695-1697
52. Drabold, D. A.; Fedders, P. A.; Sankey, O. F.; Dow, J. D. Phys. Rev. B 1990, 42 (8) 5135-5141