Li-ion diffusion and formation energy of lithium polysulfides in the presence of ferroelectric phase of poly(vinylidene fluoride): A DFT and molecular dynamics simulations
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Date
2024-12-12
Authors
Sánchez Burgos, José del A.
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Abstract
Lithium-sulfur (Li-S) batteries offer numerous advantages over traditional lithium-ion batteries, including high energy density (∼ 2600 Wh kg−1) and cost-effective raw materials. However, a major challenge is the rapid capacity decay caused by the dissolution and migration of lithium polysulfide intermediates, known as the shuttle effect. To address this, it is hypothesized that incorporating ferroelectric materials with spontaneous polarization could mitigate the shuttle effect. This research investigates the impact of the ferroelectric phase of poly(vinylidene fluoride) (PVDF) on lithium polysulfides, analyzing their formation energy using Density Functional Theory (DFT) calculations. The study employs the Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) exchange-correlation functional and pseudo-potentials, alongside with Molecular Dynamics (MD) simulations, to explore lithium polysulfide formation in the presence and absence of PVDF. The Car-Parrinello method within Quantum Espresso (QE) provides insights into the interaction between PVDF and lithium polysulfides, while MD simulations calculate the diffusion coefficient of lithium ions, revealing how PVDF monolayers influence ion mobility at different temperatures. Results show that the formation energy of lithium polysulfides(LiPS) decreases with an increasing number of ferroelectric PVDF monolayers, indicating that PVDF polarization prevents the formation of LiPS. Furthermore, the diffusion coefficients computed at 300K and 900K demonstrate that lithium-ion mobility is enhanced by the presence of PVDF, particularly with 2 to 3 monolayers. The increased diffusion at higher temperatures (900K) suggests that PVDF could facilitate lithium-ion transport while simultaneously destabilizing LiPS formation under specific conditions.
Las baterías de litio-azufre (Li-S) ofrecen numerosas ventajas sobre las baterías tradicionales de iones de litio, incluidas su alta densidad de energía (~2600 Wh kg-1) y el uso de materiales de bajo costo. Sin embargo, un desafío importante es la rápida degradación de la capacidad causada por la disolución y migración de los polisulfuros de litio, conocida como el efecto lanzadera. Para abordar esto, se plantea la hipótesis de que la incorporación de materiales ferroeléctricos con polarización espontánea podría mitigar este efecto. Esta investigación estudia el impacto de la fase ferroeléctrica del poli(fluoruro de vinilideno) (PVDF) en la formación de los polisulfuros de litio, analizando su energía de formación mediante cálculos de Teoría del Funcional de la Densidad (DFT). El estudio emplea el funcional de intercambio y correlación Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) y pseudo-potenciales, junto con simulaciones de Dinámica Molecular (MD) para explorar la formación de polisulfuros de litio en presencia y ausencia de PVDF. El método Car-Parrinello implementado en el paquete de Quantum Espresso (QE) proporciona información sobre la interacción entre el PVDF y los polisulfuros de litio, mientras que las simulaciones de MD calculan el coeficiente de difusión de los iones de litio, revelando cómo las monocapas de PVDF influyen en la movilidad iónica a diferentes temperaturas. Los resultados muestran que la energía de formación de los polisulfuros de litio disminuye a medida que aumenta el número de monocapas de PVDF, lo que indica una menor estabilidad de los polisulfuros de litio. Además, los coeficientes de difusión calculados a 300K y 900K demuestran que la movilidad de los iones de litio se ve incrementada por la presencia de PVDF, especialmente con 2 a 3 monocapas de PVDF. El aumento de la difusión a temperaturas más altas (900K) sugiere que el PVDF puede facilitar el transporte de iones de litio mientras desestabiliza los polisulfuros de litio bajo condiciones específicas.
Las baterías de litio-azufre (Li-S) ofrecen numerosas ventajas sobre las baterías tradicionales de iones de litio, incluidas su alta densidad de energía (~2600 Wh kg-1) y el uso de materiales de bajo costo. Sin embargo, un desafío importante es la rápida degradación de la capacidad causada por la disolución y migración de los polisulfuros de litio, conocida como el efecto lanzadera. Para abordar esto, se plantea la hipótesis de que la incorporación de materiales ferroeléctricos con polarización espontánea podría mitigar este efecto. Esta investigación estudia el impacto de la fase ferroeléctrica del poli(fluoruro de vinilideno) (PVDF) en la formación de los polisulfuros de litio, analizando su energía de formación mediante cálculos de Teoría del Funcional de la Densidad (DFT). El estudio emplea el funcional de intercambio y correlación Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) y pseudo-potenciales, junto con simulaciones de Dinámica Molecular (MD) para explorar la formación de polisulfuros de litio en presencia y ausencia de PVDF. El método Car-Parrinello implementado en el paquete de Quantum Espresso (QE) proporciona información sobre la interacción entre el PVDF y los polisulfuros de litio, mientras que las simulaciones de MD calculan el coeficiente de difusión de los iones de litio, revelando cómo las monocapas de PVDF influyen en la movilidad iónica a diferentes temperaturas. Los resultados muestran que la energía de formación de los polisulfuros de litio disminuye a medida que aumenta el número de monocapas de PVDF, lo que indica una menor estabilidad de los polisulfuros de litio. Además, los coeficientes de difusión calculados a 300K y 900K demuestran que la movilidad de los iones de litio se ve incrementada por la presencia de PVDF, especialmente con 2 a 3 monocapas de PVDF. El aumento de la difusión a temperaturas más altas (900K) sugiere que el PVDF puede facilitar el transporte de iones de litio mientras desestabiliza los polisulfuros de litio bajo condiciones específicas.