Revealing lithium–silicide phase transformations in nano-structured silicon-based lithium ion batteries via in situ NMR spectroscopy

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作者
Ken Ogata,Elodie Salager,Christopher Kerr,Adam Fraser,Caterina Ducati,Andrew J. Morris,Stephan Hofmann,Clare P. Grey
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:5 (1) 被引量:366
标识
DOI:10.1038/ncomms4217
摘要

Nano-structured silicon anodes are attractive alternatives to graphitic carbons in rechargeable Li-ion batteries, owing to their extremely high capacities. Despite their advantages, numerous issues remain to be addressed, the most basic being to understand the complex kinetics and thermodynamics that control the reactions and structural rearrangements. Elucidating this necessitates real-time in situ metrologies, which are highly challenging, if the whole electrode structure is studied at an atomistic level for multiple cycles under realistic cycling conditions. Here we report that Si nanowires grown on a conducting carbon-fibre support provide a robust model battery system that can be studied by 7Li in situ NMR spectroscopy. The method allows the (de)alloying reactions of the amorphous silicides to be followed in the 2nd cycle and beyond. In combination with density-functional theory calculations, the results provide insight into the amorphous and amorphous-to-crystalline lithium–silicide transformations, particularly those at low voltages, which are highly relevant to practical cycling strategies. Understanding structural transformations of electrodes during cycling is of significance in batteries. Here Ogata et al. develop an approach for probing (de)lithiation processes in nano-silicon by in situNMR spectroscopy, which reveals structural and kinetic insights into the lithium–silicide phase transformations.
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