In situ measurements of stress evolution in silicon thin films during electrochemical lithiation and delithiation

材料科学 原位 电极 压力(语言学) 薄膜 电化学 化学工程 纳米技术 冶金 工程类 化学 有机化学 语言学 哲学 物理化学
作者
Vijay A. Sethuraman,Michael J. Chon,Maxwell Shimshak,Venkat Srinivasan,Pradeep R. Guduru
出处
期刊:Journal of Power Sources [Elsevier]
卷期号:195 (15): 5062-5066 被引量:556
标识
DOI:10.1016/j.jpowsour.2010.02.013
摘要

We report in situ measurements of stress evolution in a silicon thin-film electrode during electrochemical lithiation and delithiation by using the Multi-beam Optical Sensor (MOS) technique. Upon lithiation, due to substrate constraint, the silicon electrode initially undergoes elastic deformation, resulting in rapid rise of compressive stress. The electrode begins to deform plastically at a compressive stress of ca. -1.75 GPa; subsequent lithiation results in continued plastic strain, dissipating mechanical energy. Upon delithiation, the electrode first undergoes elastic straining in the opposite direction, leading to a tensile stress of ca. 1 GPa; subsequently, it deforms plastically during the rest of delithiation. The plastic flow stress evolves continuously with lithium concentration. Thus, mechanical energy is dissipated in plastic deformation during both lithiation and delithiation, and it can be calculated from the stress measurements; we show that it is comparable to the polarization loss. Upon current interrupt, both the film stress and the electrode potential relax with similar time-constants, suggesting that stress contributes significantly to the chemical potential of lithiated-silicon.
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