Alleviating expansion-induced mechanical degradation in lithium-ion battery silicon anodes via morphological design

材料科学 热膨胀 阳极 复合材料 分层(地质) 旋节 应变能密度函数 压力(语言学) 电池(电) 冯·米塞斯屈服准则 锂离子电池 结构工程 电极 光电子学 有限元法 热力学 化学 相(物质) 哲学 物理化学 语言学 工程类 生物 构造学 古生物学 功率(物理) 物理 有机化学 俯冲
作者
Sierra J. Gross,Meng-Ting Hsieh,Daniel R. Mumm,Lorenzo Valdevit,Ali Mohraz
出处
期刊:Extreme Mechanics Letters [Elsevier]
卷期号:54: 101746-101746 被引量:16
标识
DOI:10.1016/j.eml.2022.101746
摘要

The mechanics of films undergoing volume expansion on curved substrates plays a key role in a variety of technologies including biomedical implants, thermal and environmental barrier coatings, and electrochemical energy storage systems. Silicon anodes for lithium-ion batteries are an especially challenging case because they can undergo volume variations up to 300% that results in cracking, delamination, and thus significant loss in performance. In this study, we use finite element analysis to model the volume expansion during lithiation for silicon coated on spinodal, inverse opal, gyroid, and Schwartz primitive nickel backbones and compare the distributions of maximum principal stress, strain energy density, and von Mises stress, which we use as indicators for propensity for cracking, delamination, and yielding, in order to explore the effect of backbone morphology on mechanical degradation during expansion. We show that, when compared to the inverse opal, the spinodal morphology reduces and uniformly distributes the maximum principal stress and strain energy density in the silicon layer, and delays the onset of expansion-induced yielding at all silicon layer thicknesses, which we ascribe to the unique interfacial curvature distribution of spinodal structures. This work highlights the importance of morphology on coatings undergoing volume variations and unveils the particular promise of spinodally derived materials for the design of next generation lithium-ion battery electrodes.
最长约 10秒,即可获得该文献文件

科研通智能强力驱动
Strongly Powered by AbleSci AI
更新
大幅提高文件上传限制,最高150M (2024-4-1)

科研通是完全免费的文献互助平台,具备全网最快的应助速度,最高的求助完成率。 对每一个文献求助,科研通都将尽心尽力,给求助人一个满意的交代。
实时播报
小蘑菇应助GakkiSmile采纳,获得10
2秒前
2秒前
Jackpu给Jackpu的求助进行了留言
3秒前
3秒前
吃吃发布了新的文献求助10
3秒前
英姑应助老温采纳,获得10
5秒前
mmhahaha完成签到 ,获得积分10
5秒前
李豆豆发布了新的文献求助30
7秒前
朴素蜡烛发布了新的文献求助10
7秒前
8秒前
共享精神应助科研通管家采纳,获得10
8秒前
科研通AI2S应助科研通管家采纳,获得10
8秒前
从容芮应助科研通管家采纳,获得30
8秒前
脑洞疼应助科研通管家采纳,获得10
8秒前
充电宝应助科研通管家采纳,获得10
8秒前
斯文败类应助科研通管家采纳,获得10
8秒前
从容芮应助科研通管家采纳,获得30
8秒前
FashionBoy应助科研通管家采纳,获得10
9秒前
慕青应助科研通管家采纳,获得10
9秒前
科研通AI2S应助科研通管家采纳,获得10
9秒前
赘婿应助科研通管家采纳,获得10
9秒前
小二郎应助实验室的亡灵采纳,获得10
9秒前
不配.应助科研通管家采纳,获得10
9秒前
汉堡包应助科研通管家采纳,获得10
9秒前
不配.应助科研通管家采纳,获得10
9秒前
科研通AI2S应助科研通管家采纳,获得10
9秒前
科研通AI2S应助科研通管家采纳,获得10
9秒前
10秒前
jason发布了新的文献求助10
10秒前
楠楠小猪完成签到,获得积分10
12秒前
Owen应助岳麓山老农采纳,获得20
12秒前
小迪发布了新的文献求助10
13秒前
ninini完成签到,获得积分10
13秒前
14秒前
朴素蜡烛完成签到,获得积分20
14秒前
17秒前
湘华完成签到,获得积分10
17秒前
jerry完成签到,获得积分10
18秒前
CipherSage应助xiaoyi采纳,获得10
20秒前
萧水白应助sue采纳,获得10
21秒前
高分求助中
歯科矯正学 第7版(或第5版) 1004
The late Devonian Standard Conodont Zonation 1000
Nickel superalloy market size, share, growth, trends, and forecast 2023-2030 1000
Smart but Scattered: The Revolutionary Executive Skills Approach to Helping Kids Reach Their Potential (第二版) 1000
PraxisRatgeber: Mantiden: Faszinierende Lauerjäger 700
A new species of Coccus (Homoptera: Coccoidea) from Malawi 500
Zeitschrift für Orient-Archäologie 500
热门求助领域 (近24小时)
化学 医学 生物 材料科学 工程类 有机化学 生物化学 物理 内科学 纳米技术 计算机科学 化学工程 复合材料 基因 遗传学 催化作用 物理化学 免疫学 量子力学 细胞生物学
热门帖子
关注 科研通微信公众号,转发送积分 3238389
求助须知:如何正确求助?哪些是违规求助? 2883793
关于积分的说明 8231686
捐赠科研通 2551769
什么是DOI,文献DOI怎么找? 1380253
科研通“疑难数据库(出版商)”最低求助积分说明 648987
邀请新用户注册赠送积分活动 624619