Molecular Dynamics Simulation of the Graphite-Electrolyte Interface in Lithium-Ion Batteries

Abstract

Energilagring er nøkkelen for å muliggjøre effektiv utnyttelse av fornybare energikilder. Prognoser viser at den globale etterspørselen etter litium-ion-batterier forventes en årlig vekst på rundt 33 % innen 2030. Selv om litium-ion-batterier anses som markedsledende, er det flere utfordringer knyttet til dem. Kunnskapen rundt mekanismene som finner sted rundt grenseflata mellom elektrolytt og elektrode er fortsatt begrenset. Overflateegenskaper er vanskelige å undersøke ved bruk av nåværende eksperimentelle metoder.

For å få mer kunnskap om overflaten mellom anoden og elektrolytten i et litium-ion-batteri, ble en datamodell konstruert ved bruk av molekylærdynamikk. Dette ble utført ved bruk av LAMMPS, en programvare for simulator for molekylærdynamikk. Prosjektet resulterte i en grafittstruktur kombinert med en EC-DEC elektrolytt. Konsentrasjonen for hver av komponentene i elektrolytten ble målt og det ble plottet tetthetsprofiler.

Modellen viste stabil og realistisk oppførsel, og kan betraktes som en god modell for anode-elektrolytt-grensesnittet i et litium-ion-batteri. I dette prosjektet ble modellen brukt for å undersøke tetthetsprofiler. Resultatene viste en overskuddskonsentrasjon av elektrolytt i grensesnittområdet. Spesielt etylenkarbonat og litiumioner ble funnet i høyere konsentrasjoner nær grafittanoden.

Energy storage is key to enable efficient and reliable utilization of renewable energy sources. The global demand of lithium-ion batteries is expected an annual growth by around 33 % by 2030. Even though lithium-ion batteries are considered marked-leading, there are several challenges associated with them. The understanding of the interface between electrolyte and electrode are still limited, and surface properties are difficult to investigate by use of current experimental methods.

To gain more insight about the interface between the anode and the electrolyte in a lithium-ion battery, a computer model was constructed by use of molecular dynamics. The system was built by use of LAMMPS, a molecular dynamics simulator software. Resulting in a graphite structure combined with an EC-DEC electrolyte. The concentration of each of the electrolyte component was recorded, and density profiles were plotted.

The model showed stable and realistic behaviour, and can be considered as a good model for the anode-electrolyte interface in a lithium-ion battery. In this project the model was used for investigating density profiles. The results showed an excess concentration of electrolyte in the interface region. Especially ethylene carbonate and lithium ions was found in higher concentrations close to the graphite anode.