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Concurrent Reaction and Plasticity during Initial Lithiation of Crystalline Silicon in Lithium-Ion Batteries

材料科学 锂(药物) 可塑性 无定形固体 相(物质) 变形(气象学) 复合材料 化学工程 冶金 化学 结晶学 有机化学 医学 工程类 内分泌学
作者
Kejie Zhao,Matt Pharr,Qiang Wan,Wei L. Wang,Efthimios Kaxiras,Joost J. Vlassak,Zhigang Suo
出处
期刊:Journal of The Electrochemical Society [The Electrochemical Society]
卷期号:159 (3): A238-A243 被引量:276
标识
DOI:10.1149/2.020203jes
摘要

In an electrochemical cell, crystalline silicon and lithium react at room temperature, forming an amorphous phase of lithiated silicon. The reaction front—the phase boundary between the crystalline silicon and the lithiated silicon—is atomically sharp. Evidence has accumulated recently that the velocity of the reaction front is limited by the rate of the reaction at the front, rather than by the diffusion of lithium through the amorphous phase. This paper presents a model of concurrent reaction and plasticity. We identify the driving force for the movement of the reaction front, and accommodate the reaction-induced volumetric expansion by plastic deformation of the lithiated silicon. The model is illustrated by an analytical solution of the co-evolving reaction and plasticity in a spherical particle. We derive the conditions under which the lithiation-induced stress stalls the reaction. We show that fracture is averted if the particle is small and the yield strength of lithiated silicon is low. Furthermore, we show that the model accounts for recently observed lithiated silicon of anisotropic morphologies.
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