Mitigating mechanical failure of crystalline silicon electrodes for lithium batteries by morphological design

文献情報

出版日 2015-06-08
DOI 10.1039/C5CP01385B
インパクトファクター 3.676
著者

Brandon C. Wood, Jianchao Ye, Yet-Ming Chiang, Y. Morris Wang, Ming Tang, Hanqing Jiang


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要旨

Although crystalline silicon (c-Si) anodes promise very high energy densities in Li-ion batteries, their practical use is complicated by amorphization, large volume expansion and severe plastic deformation upon lithium insertion. Recent experiments have revealed the existence of a sharp interface between crystalline Si (c-Si) and the amorphous LixSi alloy during lithiation, which propagates with a velocity that is orientation dependent; the resulting anisotropic swelling generates substantial strain concentrations that initiate cracks even in nanostructured Si. Here we describe a novel strategy to mitigate lithiation-induced fracture by using pristine c-Si structures with engineered anisometric morphologies that are deliberately designed to counteract the anisotropy in the crystalline/amorphous interface velocity. This produces a much more uniform volume expansion, significantly reducing strain concentration. Based on a new, validated methodology that improves previous models of anisotropic swelling of c-Si, we propose optimal morphological designs for c-Si pillars and particles. The advantages of the new morphologies are clearly demonstrated by mesoscale simulations and verified by experiments on engineered c-Si micropillars. The results of this study illustrate that morphological design is effective in improving the fracture resistance of micron-sized Si electrodes, which will facilitate their practical application in next-generation Li-ion batteries. The model and design approach present in this paper also have general implications for the study and mitigation of mechanical failure of electrode materials that undergo large anisotropic volume change upon ion insertion and extraction.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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