We present a linear stability analysis to demonstrate that a flat coherent phase boundary formed by the (de)intercalation of solutes into a compound is unstable against perturbations with wavelengths larger than a critical wavelength. This critical wavelength is controlled by the competition between the interface energy and the elastic strain energy caused by the misfit between the solute-rich and solute-poor phases. It increases with the distance between the phase boundary and free surface of the compound, and so the instability is most pronounced when the boundary is close to the surface at the early stage of the (de)intercalation process. Numerical calculations show that such instability leads to non-uniform intercalation behavior. We find that uniform intercalation cannot be achieved unless the phase boundary moves at a speed greater than a critical velocity. Estimate of the magnitude of this velocity suggests that the stress-induced intercalation instability is generally operative in intercalation compounds used for battery applications.
Film strains enhance the reversible cycling of intercalation electrodes
电池电极中化学机械降解的关键原因是它们在充电/放电循环期间经历突然的相变。这种相变伴随着晶格失配应变，晶格失配应变使微裂纹成核，诱导断裂，并且在极端情况下使插层电极非晶化。在这项工作中，我们提出了一种策略，以防止化学机械降解的嵌入电极：我们表明，通过工程合适的薄膜应变，我们可以调节薄膜嵌入电极的相变和规避大的体积变化。我们使用理论和实验的结合来测试这种策略：我们首先分析得出薄膜应变对薄膜插层电极的电化学响应的影响，然后将我们的分析模型应用于一个有代表性的例子（具有多个相变的LixV 2 O 5）。然后我们用实验来检验我们的理论预测。具体来说，我们电化学循环薄膜V2 O 5电极与不同的膜应变和测量它们的结构，电压和应力响应。我们的研究结果表明，拉伸膜应变降低了薄膜V2 O 5电极中相变的电压，并促进其在更宽的电压窗口内的可逆循环，而不会发生化学机械降解。这些结果表明，薄膜应变工程是一种替代的方法，以防止化学机械降解嵌入电极。除了薄膜电极之外，我们的研究结果也适用于研究基于颗粒的电极和阴极颗粒上形成的薄表面层中的应力诱导相变。
Interplay of phase boundary anisotropy and electro-autocatalytic surface reactions on the lithium intercalation dynamics in Li$_X$FePO$_4$ platelet-like nanoparticles
Deformation, lattice instability, and metallization during solid-solid structural transformations under general applied stress tensor: example of Si I -> Si II
采用密度泛函理论（DFT）研究了半导体Si I（立方A4结构）和金属Si II（四方A5结构）在一般应力张量作用下的固-固相变（PT）过程中的应力-应变行为、弹性不稳定性和金属化.与正常的应力（$σ_1$，$σ_2$，$σ_3$）作用沿$\left<110 \right>$，$\left<1\bar{1}0 \right>$，和$\left<001\right>$，分别指示模拟单元，我们确定了6个独立的应力，驱动硅I $\rightarrow$硅II PT的晶格不稳定性的组合，和一个超导金属电子过渡。金属化先于结构PT，因此，应力Si I可以是金属。令人惊讶的是，无应力的Si II在DFT中是亚稳态的。值得注意的是，静水压力的PT为75.81 GPa，而在单轴应力下为11.03 GPa（或3.68 GPa平均压力）。我们的主要成果：Si I -> Si II PT由修正相变功的临界值描述，如用相场方法发现的，并且PT准则对于一般施加应力只有两个参数。更一般地说，我们的研究结果是至关重要的揭示新的（和更经济的）材料合成路线的新的或已知的高压阶段下控制和可预测的非流体静力学加载和塑性形变。
Fifth-degree elastic potential for predictive stress-strain relations and elastic instabilities under large strain and complex loading in Si
在复杂载荷下的材料产生大的应变，并且通常通过弹性不稳定性转变，如在简单和复杂系统中所观察到的。在这里，我们提出了硅我在大应变的拉格朗日应变方面的$5^{th}$阶弹性势通过最小化误差相对于密度泛函理论（DFT）的结果。任意复杂载荷下的Cauchy应力-Lagrangian应变曲线与密度泛函理论（DFT）结果吻合良好，包括驱动Si I $\rightarrow$ II相变（PT）的弹性不稳定性和剪切不稳定性。PT条件下的Si I $\rightarrow$ II的作用下的立方轴向应力是线性的柯西应力与DFT预测。这样的弹性势允许研究弹性不稳定性和取向依赖性，导致不同的PT，滑移，孪生，或断裂，提供了一个基本的基础，连续模拟极端负载下的晶体行为。
