Phase Boundary Propagation in Li-Alloying Battery Electrodes Revealed by Liquid-Cell Transmission Electron Microscopy

材料科学 成核 透射电子显微镜 电极 相(物质) 无定形固体 微观结构 晶界 电解质 电池(电) 纳米尺度 化学物理 纳米技术 复合材料 结晶学 化学 热力学 物理 物理化学 功率(物理) 有机化学
作者
Andrew J. Leenheer,Katherine L. Jungjohann,Kevin R. Zavadil,Charles Thomas Harris
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:10 (6): 5670-5678 被引量:63
标识
DOI:10.1021/acsnano.6b02200
摘要

Battery cycle life is directly influenced by the microstructural changes occurring in the electrodes during charge and discharge cycles. Here, we image in situ the nanoscale phase evolution in negative electrode materials for Li-ion batteries using a fully enclosed liquid cell in a transmission electron microscope (TEM) to reveal early degradation that is not evident in the charge-discharge curves. To compare the electrochemical phase transformation behavior between three model materials, thin films of amorphous Si, crystalline Al, and crystalline Au were lithiated and delithiated at controlled rates while immersed in a commercial liquid electrolyte. This method allowed for the direct observation of lithiation mechanisms in nanoscale negative electrodes, revealing that a simplistic model of a surface-to-interior lithiation front is insufficient. For the crystalline films, a lithiation front spread laterally from a few initial nucleation points, with continued grain nucleation along the growing interface. The intermediate lithiated phases were identified using electron diffraction, and high-resolution postmortem imaging revealed the details of the final microstructure. Our results show that electrochemically induced solid-solid phase transformations can lead to highly concentrated stresses at the laterally propagating phase boundary which should be considered for future designs of nanostructured electrodes for Li-ion batteries.

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