In situ atomic-scale imaging of electrochemical lithiation in silicon

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作者
Xiao Hua Liu,Jiangwei Wang,Shan Huang,Feifei Fan,Xu Huang,Yang Liu,Sergiy Krylyuk,Jinkyoung Yoo,Shadi A. Dayeh,Albert V. Davydov,Scott X. Mao,S. T. Picraux,Sulin Zhang,Ju Li,Ting Zhu,Jianyu Huang
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Springer Nature]
卷期号:7 (11): 749-756 被引量:630
标识
DOI:10.1038/nnano.2012.170
摘要

In lithium-ion batteries, the electrochemical reaction between the electrodes and lithium is a critical process that controls the capacity, cyclability and reliability of the battery. Despite intensive study, the atomistic mechanism of the electrochemical reactions occurring in these solid-state electrodes remains unclear. Here, we show that in situ transmission electron microscopy can be used to study the dynamic lithiation process of single-crystal silicon with atomic resolution. We observe a sharp interface (~1 nm thick) between the crystalline silicon and an amorphous Li(x)Si alloy. The lithiation kinetics are controlled by the migration of the interface, which occurs through a ledge mechanism involving the lateral movement of ledges on the close-packed {111} atomic planes. Such ledge flow processes produce the amorphous Li(x)Si alloy through layer-by-layer peeling of the {111} atomic facets, resulting in the orientation-dependent mobility of the interfaces.
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