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In situ measurement of lithiation-induced stress in silicon nanoparticles using micro-Raman spectroscopy

材料科学 拉曼光谱 压力(语言学) 纳米颗粒 无定形固体 静水应力 极限抗拉强度 非晶硅 抗压强度 纳米技术 复合材料 光电子学 晶体硅 结晶学 光学 哲学 有限元法 物理 化学 热力学 语言学
作者
Zhidan Zeng,Nian Liu,Qiaoshi Zeng,Seok Woo Lee,Wendy L. Mao,Yi Cui
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:22: 105-110 被引量:135
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2016.02.005
摘要

Stress is a long standing challenge for the applications of silicon (Si) anodes in lithium (Li) ion batteries. Nanostructured Si are important materials to address mechanical stress issues in batteries although their stress was only calculated and no experimental data are available. Using in situ Raman microscopy to monitor the shift of the first-order Raman peak of Si, we were able to measure for the first time the lithiation-induced stress in Si nanoparticles. The shift of Raman peak of Si under hydrostatic stress was calibrated via an in situ high pressure Raman experiment. We observed a tensile-to-compressive transition of the stress in Si core of nanoparticles during lithiation. At the beginning of lithiation, the reduction of the surface native oxide on the Si particle results in a tensile stress of approximately 0.2 GPa in Si. During the formation of amorphous LixSi in the outer layer of the nanoparticles, an increasing compressive stress up to 0.3 GPa is built up in the Si core. This stress evolution explains the cracks that developed in the amorphous LixSi layer during lithiation of the Si nanoparticles, and is also consistent with modeling results. These results improve our understanding of lithiation-induced stress in nanostructured Si anodes, and provide valuable information for their computational study and rational engineering.
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