Primary Knock-On Damage Prediction During the Electron Microscopy Characterization of Lithium-Containing Materials
Notice bibliographique
Résumé
Lithium-ion batteries (LIBs) are being evaluated as a possible energy storage solution to climate change for meeting power and energy demands [1]. Characterizing battery materials with high-resolution electron microscopy is essential for developing LIBs. Because lithium (Li) atoms are light and waekly bonded in Li-compounds, these materials are susceptible to knock-on damage [2]. This damage happens when a beam electron scatters elastically and transmits energy to the atom that is greater than its threshold displacement energy (TDE) [3]. This study investigated knock-on damage by Monte Carlo simulation and theoretical calculations of the probability of knock-on damage, PKOD. To achieve this, the TDEs were calculated using the sudden approximation technique within the Density Functional Theory (DFT) calculations for three groups of materials: LiX (X=F, Cl, Br), and Li2MSiO4 (M = Fe, Co, Mn), and pure elements (Li, Al, Mg). Fig. 1 shows the PKOD of three groups of materials of interest. As illustrated in this figure, pure Li has the largest PKOD, demonstrating the high vulnerability of Li to knock-on damage. It also signifies the strange behavior of Li regarding the appearance of a peak in PKOD in both its pure and compound form. This was also reported in reference [4], where a peak was also discovered in the knock-on damage cross-section of Li. Our theoretical calculations explain this behavior with the abrupt drop in the elastic cross section of Li with increasing energy, resulting from the small TDE and light weight of this element. We developed a Monte Carlo algorithm which utilizes the single scattering method like Win X-ray [5] and CASINO [6] to simulate the electron trajectories while tracking the knock-on damage. Fig. 2 illustrates the results of these simulations in which the green dot represents the place where the displacement of Li atoms. Comparing the amount of knock-on damage in this figure with the PKOD, shown in Fig. 1, demonstrates the consistency between simulations and theoretical calculations. Also, the difference in the amount of knock-on damage in materials within the same group (i.e., identical structures) could be explained by the difference in the TDE of Li in that material group. Nevertheless, other parameters, including elastic cross-section, density and atomic weight, were found to affect this damage. The probability of Li knock-on damage, PKOD, for a) pure elements (Li, Al, Mg), b) LiX (X = F, Cl, Br), and c) Li2MSiO4 (M = Co, Fe, Mn). Monte Carlo simulation of knock-on damage at 30 KeV in a) LiF, b) LiCl, c) LiBr, d) Li2CoSiO4, e) Li2FeSiO4, and f) Li2MnSiO4.
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Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
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