Use of electrode materials that show phase change behavior and hence drastic changes in electrochemical activity during operation, have not been explored for Li-ion batteries. Here we demonstrate the vanadium oxide (VO2) cathode that undergoes metal-insulator transition due to first-order structural phase transition at accessible temperature of 68°C for battery operation. Using a suitable electrolyte operable across the phase transition range and compatible with vanadium oxide cathodes, we studied the effect of electrode structure change on lithium insertion followed by the electrochemical characteristics above and below the phase transition temperature. The high-temperature VO2 phase shows significantly improved capacitance, enhanced current rate capabilities, improved electrical conductivity and lithium-ion diffusivity compared to the insulating low temperature phase. This opens up new avenues for electrode designs, allowing manipulation of electrochemical reactions around phase transition temperatures, and in particular enhancing electrochemical properties at elevated temperatures contrary to existing classes of battery chemistries that lead to performance deterioration at elevated temperatures.
A diffuse-interface model for predicting the evolution of metallic negative electrodes and interfacial voids in solid-state batteries with homogeneous and polycrystalline solid electrolyte separators
Nanostructuring Strategies for Silicon-based Anodes in Lithium-ion Batteries: Tuning Areal Silicon Loading, SEI Formation/Irreversible Capacity Loss, Rate Capability Retention and Electrode Durability
硅是锂离子电池最有前途的负极材料之一。硅在循环时承受体积变化，这导致随后的粉化和容量衰减。这些缺点导致寿命差，并阻碍了硅阳极的商业化。在这项工作中，基于硅纳米颗粒（SiNPs）锚定在垂直排列的碳纳米管（VACNTs）与定义的间距，以适应体积变化的混合纳米结构阳极合成的商业宏观集流体。实现具有良好稳定性和优异电化学性能的电极仍然是一个挑战。因此，我们在本文中通过在固定的VACNT毯状物长度下改变硅沉积时间来调节SiNP体积，或者通过在固定的SiNP体积下改变VACNT长度来调节活性硅面积负载。SiNP的低面积负载改善了循环期间的容量稳定性，但由于形成了固体电解质界面（SEI）层而引发了大的不可逆容量损失。相比之下，较高的面积负载电极减少了所形成的SEI的量，但是在随后的循环期间负面地影响电极的容量稳定性。通过增加VACNTs毯状物长度而不损害循环稳定性来实现硅的更高重量容量和更高面积负载质量。该混合纳米结构电极显示出优异的稳定性，在2000次循环后可逆容量为1330 mAh g-1。
Towards optimal performance and in-depth understanding of spinel Li$_4$Ti$_5$O$_{12}$ electrodes through phase field modeling
计算建模对于锂离子电池过程的基本理解至关重要。然而，捕获纳米到介观相的热力学和动力学的固体电极颗粒嵌入在现实的电极形态是具有挑战性的。特别是对于显示一级相变的电极材料，例如LiFePO $_4$、石墨和尖晶石Li $_4$ Ti $_5$ O $_{12}$（LTO），预测宏观电化学行为需要精确的物理模型。在这里，我们提出了一个热力学相场模型，锂离子插入在LTO捕获的性能限制文献中提出的所有相关的电极参数的函数。该模型中的相稳定性是基于从头算DFT计算和锂离子迁移率的纳米级NMR测量的锂离子扩散参数，从而产生无参数模型。与制备的电极的直接比较显示出良好的协议超过三个数量级的放电电流。分析了与各种电荷传输过程相关的过电位，以及与电池中局部热点相关的活性颗粒分数。它证明了在各种现实条件下的过程限制了电极的性能，提供了全面的了解纳米到微观性能。这些结果提供了具体的方向设计的最佳性能的LTO电极。
Building high-energy silicon-containing batteries using off-the-shelf materials
Chemical Sciences and Engineering Division, Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室化学科学与工程部）；Energy Conversion and Storage Systems Center, National Renewable Energy Laboratory（美国国家可再生能源实验室能源转换与存储系统中心）
Interfacial Effects on Solid Electrolyte Interphase in Lithium-ion Batteries
界面处钝化层的存在是实现现代锂离子（Li离子）电池的主要因素。它们的特性决定了电池的循环寿命、性能和安全性。一种特殊情况是固体电解质中间相（SEI），一种由于电解质的不稳定性和随后在阳极表面的分解而形成的异质多组分膜。SEI充当阻碍电解质进一步分解的钝化层，这对库仑效率是有害的。在这项工作中，我们使用第一性原理模拟研究氟化锂（LiF）和碳酸锂（Li $_2$ CO $_3$）之间的界面的动力学和电子特性，这两种常见的SEI组件存在于具有有机液体电解质的锂离子电池中。我们发现，这些组件之间的一致的接口，限制在他们每个人的应变低于3%。我们发现，界面引起的弗伦克尔缺陷的形成能量的大幅度增加，产生Li空位的LiF和Li晶体中的Li $_2$ CO $_3$负责运输。另一方面，Li间隙跳跃势垒从体Li $_2$ CO $_3$中的$0.3$ eV降低到所考虑的界面结构中的$0.10$或$0.22$ eV，表明界面的有利作用。在异质SEI中控制这两种效应对于在SEI中保持快速离子传输是至关重要的。我们进一步进行了Car-Parrinello分子动力学模拟，以探讨在我们的界面结构，这揭示了增强的界面附近的锂离子扩散的锂离子传导。了解多相SEI的界面特性是实现下一代电池的重要前沿。
Study of In-plane and Interlayer Interactions During Aluminum Fluoride Intercalation in Graphite: Implications for the Development of Rechargeable Batteries
Validity of solid-state Li$^+$ diffusion coefficient estimation by electrochemical approaches for lithium-ion batteries
电极活性物质的固态扩散系数是锂离子电池建模中的关键参数之一。通常，该扩散系数通过恒电流间歇滴定技术（GITT）来估计。在这项工作中，GITT的有效性和更快的替代技术，间歇性电流中断（ICI），通过黑盒测试方法，关于其有效性进行了研究。具有LiNi $_{0.8}$ Mn $_{0.1}$ Co $_{0.1}$ O $_2$电极的参数的Doyle-Fuller-Newman模型被用作作为真实电池系统的相当忠实的表示，并且模拟GITT和ICI实验以提取扩散系数。与在这项工作中使用的参数，结果表明，无论是GITT和ICI方法可以识别的固态扩散系数非常好的值相比，作为输入到模拟模型。ICI方法允许更频繁的测量，但实验时间比GITT测试少85%。不同的拟合方法和拟合长度对估计精度的影响不显著。此外，更薄的电极、更高的C-速率和更大的电解质扩散系数将导致更高的固态扩散系数的估计，通常更接近目标值。
Molybdenum dichalcogenide cathodes for aluminium-ion batteries
许多成功的电池电极都是基于2D层状材料。我们研究了使用二硫属钼：\ce{MoS2}、\ce{MoSe2}和MoSSe作为活性阴极材料的铝离子电池。电池显示出\ce{MoS2}和\ce{MoSe2}在1.6 - 1.4 V范围内以及MoSSe在0.6 - 0.5 V范围内的明显放电电压平台。\ce{MoS2}和\ce{MoSe2}具有相似的晶体结构，有趣的是，我们发现\ce{MoSe2}的性能优于\ce{MoS2}。MoSSe表现出比\ce{MoS2}和\ce{MoSe2}更高的比容量，但在40 mA g $^{-1}$的电流速率下能量密度低于\ce{MoSe2}。\ce{MoSe2}电池记录了$\sim$ 110 mAh g $^{-1}$的放电容量，放电期间平均电位在2.0 - 1.8 V和1.5 - 0.8 V的范围内。电池在100 mA g $^{-1}$下稳定超过200次循环，库仑效率为90%。
Understanding Ion Pairing in High Salt Concentration Electrolytes using Classical Molecular Dynamics Simulations and its Implications for Nonaqueous Li-O$_2$ Batteries
对溶剂化的准确理解对于合理寻找和设计能够满足锂离子电池及其他锂离子电池性能要求的电解质至关重要。在Li-O $_2$电池的情况下，离子配对在通过溶液介导的放电机制确定电池容量方面是决定性的，而不会严重损害电解质稳定性。我们认为，模型的基础上的第一溶剂化壳的counterparts的配位数是不足以描述的程度的离子配对，特别是在较高的盐浓度，往往是不符合实验观察。在这项研究中，我们使用经典的分子动力学模拟的几种盐阴离子（NO $_3^-$，BF $_4^-$，CF $_3$ SO $_3^-$，（CF $_3$ SO $_2$）$_2$ N $^-$）和非水溶剂（DMSO，DME，ACN，THF，DMA）的组合，以提高离子配对的理解的帮助下，一个新的离子配对度量。我们提出了一个度量，定义了一个阳离子的反离子和溶剂分子在一个连续的规模，如果这是基于一个简单而直观的条件下的电荷中性的限制，集群的程度。使用这些指标，我们确定的离子配对的程度与实验溶剂化相图的良好协议，并进一步讨论其有用性，在理解常用的措施，如古特曼供体数的盐和溶剂给药。
