Mechanical shutdown of battery separators: Silicon anode failure

分离器(采油) 阳极 材料科学 模数 复合材料 电极 光电子学 化学 物理 物理化学 热力学
作者
Ji‐Young Seo,Suhwan Kim,Jung‐Hui Kim,Yong-Hyeok Lee,Jin-Young Shin,Sohee Jeong,Dan Keun Sung,Yong Min Lee,Sang‐Young Lee
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:15 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-024-54313-y
摘要

The pulverization of silicon (Si) anode materials is recognized as a major cause of their poor cycling performance, yet a mechanistic understanding of this degradation from a full cell perspective remains elusive. Here, we identify an overlooked contributor to Si anode failure: mechanical shutdown of separators. Through mechano-structural characterization of Si full cells, combined with digital-twin simulation, we demonstrate that the volume expansion of Si exerts localized compressive stress on commercial polyethylene separators, leading to pore collapse. This structural disruption impairs ion transport across the separator, exacerbating redox nonuniformity and Si pulverization. Compression simulation reveals that a Young's modulus greater than 1 GPa is required for separators to withstand the volume expansion of Si. To fulfill this requirement, we design a high modulus separator, enabling a high-areal-capacity pouch-type Si full cell to retain 88% capacity after 400 cycles at a fast charge rate of 4.5 mA cm−2. Here, authors identify mechanical shutdown of separators as an overlooked contributor to Si full cell degradation. A high modulus separator prevents pore collapse from Si expansion, improving capacity retention and providing insights to enhance Si full cell performance.
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