Comportamiento electroquímico y estructural de ánodos de Silicio a partir de simulaciones computacionales

Encuentro; 1er Encuentro Nacional sobre Litio; 2021

Los ánodos de Silicio han demostrado ser prometedores en las baterías de ion-litio debido a su gran capacidad teórica de 3579 mAhg −1 , diez veces mayor a la de los ánodos usuales de grafito, su voltaje bajo de descarga y su bajo costo. Como contraparte a ello, una de sus principales desventajas es que sufren un cambio volumétrico de alrededor del 300% durante el ciclado, lo que provoca cambios estructurales abruptos que llevan a su degradación y a una menor vida útil. Las simulacionescomputacionales de dinámica molecular nos permiten estudiar los cambios estructurales que se dan cuando se forman estructuras amorfas de Li x Si. En este trabajo utilizamos un potencial semi empírico ReaxFF desarrollado por Fan et al. [1] para modelar la fuerza de interacción entre los átomos. Para obtener estructuras amorfas cercanas al equilibrio, se realizó una exploración acelerada de mínimos locales (AELM) [2], que fue aplicada a distintas concentraciones en las que se obtuvo una dispersión de mínimos, seleccionando para los cálculos aquellos que pertenecen a la campana con menor energía media.A dichas estructuras se les calculó el cambio fraccional de volumen ante la litiación, con respecto al volumen cristalino del Si, y se obtuvo una concordancia en la tendencia cualitativa y cuantitativa con valores experimentales [3] y teóricos [4].Por otro lado, utilizando las energías mínimas, se obtuvo la curva de potencial versus Li. Para ello fue necesario calcular las energías de formación para las distintas concentraciones y utilizarlas como una aproximación a la energía de formación de Gibbs, que nos permite obtener el potencial V versus Li metálico a partir de su derivada. Las energías de las estructuras amorfas reflejan correctamente el rango de valores de la curva potencial en función de la concentración de Li a la hora de contrastarse con mediciones experimentales [5] y cálculos teóricos [4].