1. A three dimensional kinetic Monte Carlo model for simulating the carbon/sulfur mesostructural evolutions of discharging lithium sulfur batteries
- Author
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Vigneshwaran Thangavel, Adelphe Matsiegui Mikala, Alexis Rucci, Matías Abel Oscar Quiroga, Oscar Xavier Guerrero, Alejandro A. Franco, Laboratoire réactivité et chimie des solides - UMR CNRS 7314 (LRCS), Université de Picardie Jules Verne (UPJV)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC), Réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie (RS2E), Université de Picardie Jules Verne (UPJV)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Aix Marseille Université (AMU)-Université de Pau et des Pays de l'Adour (UPPA)-Université de Nantes (UN)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris - Chimie ParisTech-PSL (ENSCP), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Collège de France (CdF (institution))-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP ), Université Grenoble Alpes (UGA)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier (ENSCM), Advanced Lithium Energy Storage Systems - ALISTORE-ERI (ALISTORE-ERI), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Picardie Jules Verne (UPJV)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Nantes (UN)-Aix Marseille Université (AMU)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Collège de France (CdF (institution))-Université de Picardie Jules Verne (UPJV)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier (ENSCM)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris - Chimie ParisTech-PSL (ENSCP), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Pau et des Pays de l'Adour (UPPA)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Montpellier (UM)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP ), and Université Grenoble Alpes (UGA)-Université Grenoble Alpes (UGA)
- Subjects
LITHIUM SULFUR BATTERIES ,Materials science ,Ciencias Físicas ,Energy Engineering and Power Technology ,chemistry.chemical_element ,02 engineering and technology ,010402 general chemistry ,7. Clean energy ,01 natural sciences ,law.invention ,purl.org/becyt/ford/1 [https] ,law ,[CHIM]Chemical Sciences ,General Materials Science ,STOCHASTIC MODELING ,Composite cathode ,Lithium sulfur ,Kinetic Monte Carlo ,Dissolution ,Renewable Energy, Sustainability and the Environment ,CARBON/SULFUR MESOSTRUCTURE ,purl.org/becyt/ford/1.3 [https] ,021001 nanoscience & nanotechnology ,Sulfur ,CARBON/SULFUR MESOSTRUCTURES ,Cathode ,0104 chemical sciences ,KINETIC MONTE CARLO MODEL ,chemistry ,Chemical engineering ,DISCHARGE SIMULATIONS ,0210 nano-technology ,Carbon ,CIENCIAS NATURALES Y EXACTAS ,Física de los Materiales Condensados ,CATHODE MESOSTRUCTURAL EVOLUTIONS - Abstract
The carbon/sulfur composite cathodes of lithium sulfur batteries undergo mesostructural evolutions during discharge due to the dissolution/precipitation reactions of solid sulfur and Li2S. Furthermore, the cathode design and discharge parameters also impact the mesostructural evolutions of carbon/sulfur composites. In order to compare and study these mesostructural evolutions, we have developed a novel three dimensional kinetic Monte Carlo (kMC) model based on an algorithm called Variable Step Size Method (VSSM). Our model describes mechanisms such as dissolution of solid sulfur, reactions and diffusions of different polysulfides and electrodeposition of Li2S. The initial carbon/sulfur mesostructure used in our model is created based on its desired structural and geometric properties using an in silico method. In this paper, we present the theoretical development of our kMC model and demonstrate its capabilities using discharge simulations of a model carbon/sulfur mesostructure under two different rates (C-rates) namely C/2 and 2C. Furthermore, we also present the impact of initial S8(s) loading on the 2C discharge simulation. Fil: Thangavel, Vigneshwaran. Université de Picardie Jules Verne. Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides; Francia. Centre National de la Recherche Scientifique; Francia Fil: Guerrero, Oscar Xavier. Instituto Politécnico Nacional. Centro de Investigación y de Estudios Avanzados. Departamento de Química; México Fil: Quiroga, Matías Abel Oscar. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Centro de Investigaciones en Física e Ingeniería del Centro de la Provincia de Buenos Aires. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tandil. Centro de Investigaciones en Física e Ingeniería del Centro de la Provincia de Buenos Aires. - Provincia de Buenos Aires. Gobernación. Comisión de Investigaciones Científicas. Centro de Investigaciones en Física e Ingeniería del Centro de la Provincia de Buenos Aires; Argentina. Centre National de la Recherche Scientifique; Francia. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas. Instituto de Física de Materiales; Argentina Fil: Mikala, Adelphe Matsiegui. Centre National de la Recherche Scientifique; Francia. Université de Picardie Jules Verne. Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides; Francia Fil: Rucci, José Alexis. Centre National de la Recherche Scientifique; Francia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Université de Picardie Jules Verne. Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides; Francia Fil: Franco, Alejandro A.. Université de Picardie Jules Verne. Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides; Francia. Centre National de la Recherche Scientifique; Francia
- Published
- 2020
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