Mit den steigenden Anforderungen an die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien, Die traditionellen Graphitkathoden-Materialien waren schwierig, die Bedürfnisse von leistungsfähigen Lithium-Ionen-Akkus zu erfüllen, während die umkehrbare Kapazität von SI-Kathodenmaterialien 4200mah/g (LI4.4SI) erreicht hat, und die Spannungsplattform befindet sich in der Nähe des Graphitmaterials, das eine ideale Auswahl an Kathodenmaterialien darstellt.
Allerdings ist si Kathode Material in der Lithium-Einbettung Prozessvolumen bis zu 300%, Obwohl in diesem Jahr die Entstehung von SI-Nanodraht und anderen Technologien, so dass SI-Materialien einer so großen Volumenausdehnung ohne Pulverfragmentierung standhalten können, wird die wiederholte Volumenausdehnung immer noch zum Verlust von Wirkstoffen und leitfähigen Netzen führen, was zu Verlusten von Wirkstoffen führt. Die Oberflächenbeschichtung ist eine effektive Methode, um die Volumenausdehnung von Si-Nanostrukturen zu lösen, zum Beispiel mit Siox, Al2O3, TiO2 und anderen Materialien auf der Oberflächenverkleidung von Si-Nanodraht, die die strukturelle Stabilität von Si-Nanodraht effektiv verbessern können. Insbesondere ist SIOX-Beschichtungsprozess relativ einfach, nur durch die SI-Nanodrähte Oberflächenoxidationsbehandlung können siox-beschichtete SI-Nanodraht erhalten, TEM-Analyse zeigt auch, dass die siox-Oberflächenschicht sehr gut sein kann, um die Volumenausdehnung von SI-Nanodraht zu unterdrücken,
Daher ist die Siox-Verkleidung ein sehr idealer Weg, um mit Si-Nanodrähten umzugehen. Doch durch In-situ tem Beobachtung fanden Emily R. Adkins (erster Autor) und Brian A. Korgel (Kommunikationsautorin) an der University of Texas in Austin heraus, dass Si Nanowirte mit Siox-Verkleidung während des ersten Lade-und Entladevorgangs eine große Anzahl von Mikroporen in Si-Nanodraht produzierten, Das Volumen der Si-Nanodraht steigt nach nur einem Zyklus um 40%, Und Emily R. Adkins glaubt, dass dieser Aspekt zusammen mit der Oberflächensiox die Migration von Kavitationsfehlern innerhalb der SI-Nanodraht an die Oberfläche beschränkt, was zu ihrer inneren Nukleation und fortgesetztem Wachstum führt, um Mikroporen zu bilden, andererseits mit Siox,
Si-Materialien stehen im Zusammenhang mit unterschiedlicher Volumenausdehnung während der Lithium-Einbettung.
Die SI-Nanodrahte, die im Experiment verwendet wurden, wurden durch die überkritische Flüssigkeits-Flüssigkeits-Feststoff-Methode (Sfls), dann Wärmebehandlung bei 800 ° C gewonnen, und eine Schicht von Oxidationsschicht Dicke von etwa 10 nm wurde auf der Oberfläche von Si-Nanodraht erzeugt (wie in der Abbildung unten gezeigt). Als nächstes beobachtete Emily R. Adkins die Verformung von SI-Nanodraht in Lithium-Embedded-Prozessen und Lithium-Ionen-Prozessen mittels In-situ-Transmissionselektronenmikroskopie, Im Bild unten, in situ tem Bilder von SI-Nanodraht mit unterschiedlicher Zeit der Lithium-und Lithiumentfernung, aus denen man sehen kann, dass der Lithium-Embedded-Prozess mit der Oberfläche der SI-Nanodraht beginnt, Sie breitet sich dann bis in den Kern der Nanodraht aus. Mit der Erhöhung des Grades der Lithium-Einbettung, Die SI-Nanodrahte haben eine offensichtliche Volumenausdehnung in Länge und Durchmesser, die endgültige Volumenausdehnung erreicht etwa 130%, und die theoretische Volumenausdehnung beträgt deutlich weniger als 300%, was darauf hindeutet, dass die Oxidationsschicht auf der Oberfläche von Si-Nanodraht verhindert, dass Si Lithium vollständig einbettet,
So wird die Volumenerweiterung von SI-Materialien bei der Lithium-Einbettung effektiv verhindert. Wie aus Abbildung D unten hervorgeht, wurden bei der Entfernung von Lithium eine große Anzahl von Mikroporen in den SI-Nanodraht hergestellt, Und das gleiche Phänomen wurde auch bei den SI-Nanopartikeln beobachtet, die mit Siox beschichtet sind, und aufgrund des Vorhandenseins dieser Mikroporen ist das Volumen der Si-Nanoodraht auch nach der vollständigen Entfernung von Lithium noch 40% höher als das des Originals.
Interessanterweise verschwinden diese Mikroporen während der Neueinbettung von Lithium, aber sie treten immer noch auf, nachdem sie wieder entfernt wurden, aber diese Mikroporen machen eine weitere Volumensteigerung von 25% im Vergleich zur ersten Lithium-Einbettung aus. Die folgende Abbildung ist ein SI-Nanodraht, in dem Lithium durch die Volumenerweiterung von SI-Nanodraht zu groß (270%) einbetten wird.
Die SIOX-Schicht auf ihrer Oberfläche ist kaputt, in diesem Fall erscheinen während der Entladung keine Mikroporen in den SI-Nanodraht, und wenn es keine Siox-Schicht auf der Oberfläche der SI-Nanodraht gibt, erscheinen nach der Entfernung von Lithium keine Mikroporen innerhalb der SI-Nanodraht. In der Regel werden Mikroporen aufgrund der langsamen Diffusion von Li innerhalb von Si nicht gebildet, und mikroporöse Phänomene treten nur in einigen Szenarien auf, in denen Li sich schneller ausbreitet, wie GE Nanodrähte oder dotierte Snotodrähte. Die Berechnung zeigt, dass die Barriere der Höhlenwanderung in SI-Nanodraht etwa 0,45eV beträgt, die sehr nahe an der Barriere Haar (0,47eV) von Li ist, die in amorphen si wandert, so dass sie sich in der Regel auf die Oberfläche von Si-Nanodraht ausbreitet, bevor die Löcher Mikroporen bilden, Wenn jedoch die Oberfläche der Si-Nanodraht mit einer Siox-Schicht beschichtet wird, erreicht das Loch in der Siox-Migration der Barriere 0,72eV, wenn Siox und Li Reaktion auf die Herstellung von Lithium-Silikat und anderen Produkten, das Loch, in dem die Migration der Barriere weiter erhöht wird, Leider haben wir durch TEM beobachtet, dass die SIOX-Schicht während des Lade-und Entladevorgangs an der Reaktion beteiligt war, Die Erzeugung von LI2SI2O5, Li4sio4, Li2o, si und Lixsi Produkten, die die Schwierigkeit der Kavitation in den Siox-Nanoodrähten stark erhöhten, so dass eine große Anzahl von Löchern in si/ Siox-Interface-Akkumulation und Nukleationswachstum werden zu Mikroporen, Mit der Zunahme der Anzahl der Mikroporen an der Schnittstelle, die Nukleation und das Wachstum der Mikroporen wird auf den Kern der Si-Nanodraht zu verbreiten, und schließlich bilden eine große Anzahl von Mikroporen innerhalb der SI-Nanodraht, was in der Lithium der SI-Nanodraht kann nicht in den ursprünglichen Zustand wieder hergestellt werden.
Gleichzeitig kann durch die unterschiedliche Volumenausdehnung zwischen Si-Nanodraht und Siox-Schale Stress innerhalb von Si-Nanodraht erzeugt werden, was die Bildung und das Wachstum von Mikroporen weiter fördert. Die Studie von Emily R. Adkins zeigt, dass die Oberflächenoxidationsschicht von SI-Nanodraht zwar die Volumenausdehnungen von SI-Nanodraht im Prozess der Lithium-Einbettung hemmen kann, Es wird auch zur Bildung von Mikroporen in SI-Nanodraht während des Lade-und Entladens führen, was dazu führt, dass SI-Nanodraht nach der Entfernung von Lithium noch immer eine erhebliche Volumenausdehnung beibehalten,
