Interface and mechanical degradation mechanisms of the silicon anode in sulfide-based solid-state batteries at high temperatures

阳极 降级(电信) 材料科学 硫化物 接口(物质) 固态 工程物理 光电子学 冶金 电气工程 复合材料 工程类 化学 电极 物理化学 毛细管作用 毛细管数
作者
Qiuchen 秋辰 Wang 王,Yuli 昱力 Huang 黄,Jing 晶 Xu 许,Xiqian 习谦 Yu 禹,Hong 泓 Li 李,Liquan 立泉 Chen 陈
出处
期刊:Chinese Physics B [IOP Publishing]
卷期号:33 (8): 088201-088201
标识
DOI:10.1088/1674-1056/ad5276
摘要

Abstract Silicon (Si) is a competitive anode material owing to its high theoretical capacity and low electrochemical potential. Recently, the prospect of Si anodes in solid-state batteries (SSBs) has been proposed due to less solid electrolyte interphase (SEI) formation and particle pulverization. However, major challenges arise for Si anodes in SSBs at elevated temperatures. In this work, the failure mechanisms of Si-Li 6 PS 5 Cl (LPSC) composite anodes above 80 °C are thoroughly investigated from the perspectives of interface stability and (electro)chemo-mechanical effect. The chemistry and growth kinetics of Li x Si|LPSC interphase are demonstrated by combining electrochemical, chemical and computational characterizations. Si and/or Si–P compound formed at Li x Si|LPSC interface prove to be detrimental to interface stability at high temperatures. On the other hand, excessive volume expansion and local stress caused by Si lithiation at high temperatures damage the mechanical structure of Si-LPSC composite anodes. This work elucidates the behavior and failure mechanisms of Si-based anodes in SSBs at high temperatures and provides insights into upgrading Si-based anodes for application in SSBs.
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