Two-Phase Electrochemical Lithiation in Amorphous Silicon

无定形固体 材料科学 阳极 电化学 非晶硅 相(物质) 纳米技术 锂(药物) 电极 化学工程 光电子学 晶体硅 化学 结晶学 有机化学 物理化学 内分泌学 工程类 医学
作者
Jiangwei Wang,Yu He,Feifei Fan,Xiao Hua Liu,Shuman Xia,Yang Liu,Charles Thomas Harris,Hong Li,Jianyu Huang,Scott X. Mao,Ting Zhu
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:13 (2): 709-715 被引量:421
标识
DOI:10.1021/nl304379k
摘要

Lithium-ion batteries have revolutionized portable electronics and will be a key to electrifying transport vehicles and delivering renewable electricity. Amorphous silicon (a-Si) is being intensively studied as a high-capacity anode material for next-generation lithium-ion batteries. Its lithiation has been widely thought to occur through a single-phase mechanism with gentle Li profiles, thus offering a significant potential for mitigating pulverization and capacity fade. Here, we discover a surprising two-phase process of electrochemical lithiation in a-Si by using in situ transmission electron microscopy. The lithiation occurs by the movement of a sharp phase boundary between the a-Si reactant and an amorphous Li(x)Si (a-Li(x)Si, x ~ 2.5) product. Such a striking amorphous-amorphous interface exists until the remaining a-Si is consumed. Then a second step of lithiation sets in without a visible interface, resulting in the final product of a-Li(x)Si (x ~ 3.75). We show that the two-phase lithiation can be the fundamental mechanism underpinning the anomalous morphological change of microfabricated a-Si electrodes, i.e., from a disk shape to a dome shape. Our results represent a significant step toward the understanding of the electrochemically driven reaction and degradation in amorphous materials, which is critical to the development of microstructurally stable electrodes for high-performance lithium-ion batteries.
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