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In Situ Transmission Electron Microscopy Probing of Native Oxide and Artificial Layers on Silicon Nanoparticles for Lithium Ion Batteries

透射电子显微镜 材料科学 锂(药物) 纳米颗粒 纳米技术 离子 原位 化学工程 光电子学 化学 医学 工程类 内分泌学 有机化学
作者
Yang He,Daniela Molina Piper,Meng Gu,Jonathan J. Travis,Steven M. George,Se-Hee Lee,Arda Genç,Lee Pullan,Jun Liu,Scott X. Mao,Ji‐Guang Zhang,Chunmei Ban,Chongmin Wang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:8 (11): 11816-11823 被引量:105
标识
DOI:10.1021/nn505523c
摘要

Surface modification of silicon nanoparticles via molecular layer deposition (MLD) has been recently proved to be an effective way for dramatically enhancing the cyclic performance in lithium ion batteries. However, the fundamental mechanism of how this thin layer of coating functions is not known, which is complicated by the inevitable presence of native oxide of several nanometers on the silicon nanoparticle. Using in situ TEM, we probed in detail the structural and chemical evolution of both uncoated and coated silicon particles upon cyclic lithiation/delithation. We discovered that upon initial lithiation, the native oxide layer converts to crystalline Li2O islands, which essentially increases the impedance on the particle, resulting in ineffective lithiation/delithiation and therefore low Coulombic efficiency. In contrast, the alucone MLD-coated particles show extremely fast, thorough, and highly reversible lithiation behaviors, which are clarified to be associated with the mechanical flexibility and fast Li+/e– conductivity of the alucone coating. Surprisingly, the alucone MLD coating process chemically changes the silicon surface, essentially removing the native oxide layer, and therefore mitigates side reactions and detrimental effects of the native oxide. This study provides a vivid picture of how the MLD coating works to enhance the Coulombic efficiency, preserves capacity, and clarifies the role of the native oxide on silicon nanoparticles during cyclic lithiation and delithiation. More broadly, this work also demonstrates that the effect of the subtle chemical modification of the surface during the coating process may be of equal importance to the coating layer itself.
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