Two-Phase Electrochemical Lithiation in Amorphous Silicon

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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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