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Failure mechanisms of single-crystal silicon electrodes in lithium-ion batteries

材料科学 电极 复合材料 断裂力学 电解质 法律工程学 光电子学 工程类 物理化学 化学
作者
Feifei Shi,Zhichao Song,Philip N. Ross,Gábor A. Somorjai,Robert O. Ritchie,K. Komvopoulos
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:7 (1) 被引量:260
标识
DOI:10.1038/ncomms11886
摘要

Long-term durability is a major obstacle limiting the widespread use of lithium ion batteries (LIBs) in heavy-duty applications and others demanding extended lifetime. As one of the root causes of degradation and failure of battery performance, the electrode failure mechanisms are still unknown. Here, we reveal the fundamental fracture mechanisms of single-crystal silicon electrodes over extended lithiation/delithiation cycles, using electrochemical testing, microstructure characterization, fracture mechanics, and finite element analysis. Anisotropic lithium invasion causes crack initiation perpendicular to the electrode surface, followed by growth through the electrode thickness. The low fracture energy of the lithiated/unlithiated silicon interface provides a weak microstructural path for crack deflection, accounting for the crack patterns and delamination observed after repeated cycling. Based on this physical understanding, we demonstrate how electrolyte additives can heal electrode cracks and provide strategies to enhance the fracture resistance in future LIBs from surface chemical, electrochemical, and material science perspectives.
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