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) 物理 工程类 哲学 物理化学 古生物学 构造学 俯冲 功率(物理) 有机化学 语言学 生物
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.

科研通智能强力驱动
Strongly Powered by AbleSci AI
更新
PDF的下载单位、IP信息已删除 (2025-6-4)

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
心想事成完成签到 ,获得积分10
5秒前
ypres完成签到 ,获得积分10
13秒前
糊涂的青烟完成签到 ,获得积分0
21秒前
zhangyx完成签到 ,获得积分0
24秒前
luobote完成签到 ,获得积分10
25秒前
chen完成签到 ,获得积分10
28秒前
聪慧的鸣凤完成签到 ,获得积分10
29秒前
i2stay完成签到,获得积分10
42秒前
铁瓜李完成签到 ,获得积分10
52秒前
jrzsy完成签到,获得积分10
55秒前
OhHH完成签到 ,获得积分10
1分钟前
高兴的金鑫完成签到 ,获得积分10
1分钟前
灿烂而孤独的八戒完成签到 ,获得积分0
1分钟前
CDQ完成签到,获得积分10
1分钟前
不可靠月亮完成签到,获得积分10
1分钟前
海英完成签到,获得积分10
1分钟前
可靠月亮完成签到,获得积分10
1分钟前
1分钟前
晨曦完成签到 ,获得积分10
1分钟前
安青兰完成签到 ,获得积分10
1分钟前
lovehuahua完成签到,获得积分20
1分钟前
1分钟前
lovehuahua发布了新的文献求助10
1分钟前
1分钟前
左丘冥发布了新的文献求助10
1分钟前
onevip完成签到,获得积分0
2分钟前
典雅三颜完成签到 ,获得积分10
2分钟前
啊熙完成签到 ,获得积分10
2分钟前
禾中丨小骨完成签到 ,获得积分10
2分钟前
han完成签到 ,获得积分10
2分钟前
陈曦读研版完成签到 ,获得积分10
2分钟前
简单完成签到 ,获得积分10
2分钟前
酷酷的涵蕾完成签到 ,获得积分10
2分钟前
QQ完成签到,获得积分10
2分钟前
玛卡巴卡爱吃饭完成签到 ,获得积分10
2分钟前
辛勤者完成签到,获得积分10
2分钟前
ChatGPT发布了新的文献求助10
2分钟前
nick完成签到,获得积分10
2分钟前
黑猫老师完成签到 ,获得积分10
2分钟前
橙子味的邱憨憨完成签到 ,获得积分0
2分钟前
高分求助中
(应助此贴封号)【重要!!请各用户(尤其是新用户)详细阅读】【科研通的精品贴汇总】 10000
List of 1,091 Public Pension Profiles by Region 1621
Lloyd's Register of Shipping's Approach to the Control of Incidents of Brittle Fracture in Ship Structures 1000
Brittle fracture in welded ships 1000
King Tyrant 600
Laryngeal Mask Anesthesia: Principles and Practice. 2nd ed 500
The Composition and Relative Chronology of Dynasties 16 and 17 in Egypt 500
热门求助领域 (近24小时)
化学 材料科学 生物 医学 工程类 计算机科学 有机化学 物理 生物化学 纳米技术 复合材料 内科学 化学工程 人工智能 催化作用 遗传学 数学 基因 量子力学 物理化学
热门帖子
关注 科研通微信公众号,转发送积分 5565171
求助须知:如何正确求助?哪些是违规求助? 4650012
关于积分的说明 14689402
捐赠科研通 4591860
什么是DOI,文献DOI怎么找? 2519386
邀请新用户注册赠送积分活动 1491920
关于科研通互助平台的介绍 1463118