Si를 음극 재료 가역 용량이 4200mAh / g (Li4.4Si) 흑연 전압 고원 도달하면서 밀도 요구는 계속 증가 할 리튬 이온 전지의 에너지로, 종래의 흑연 부극 재료는, 고 에너지 리튬 이온 전지의 요구를 충족시키기 어려웠다 재료가 근접되어, 이상적인 선택 부극 재료이지만, Si를 신기술로 해 나노 와이어 동안 300 % 리튬 업 중에 실리콘 부극 재료의 체적 팽창은 예컨대 실리콘 물질을 수를 진행시키지 않고 큰 체적 팽창에 견딜 분쇄되고 깨졌지만 반복적 인 체적 팽창은 여전히 활물질이 전도성 네트워크와의 연결을 잃게하여 활물질의 손실을 일으킨다.
SI 특히 SiOx로 코팅 된 나노 와이어 효과적으로시의 구조적 안정성을 향상시킬 수있는, 예를 들면, 결제의 나노 구조물의 체적 팽창의 표면을 코팅하는 표면 처리로 코팅 된 나노 와이어 재료 포스 SiOx의 Al2O3, 이산화 티탄 및 실리콘의 등을 사용하는 효과적인 방법 프로세스는 단지 실리콘 나노 와이어 표면의 산화 처리를 얻을 수 SiOx로 코팅 된 Si 나노 와이어에 의해, 비교적 간단하고, TEM 분석은 SiOx로 표면층이 SiOx로 잘 실리콘 나노 와이어의 부피 팽창을 억제 할 수 있으므로, 코팅,되었습니다 Si 나노 와이어를 처리하는 이상적인 방법입니다.
그러나 현장 TEM 관찰, 오스틴 에밀리 R. 애드킨스 (제 1 저자)와 브라이언 A. Korgel (교신 저자) 텍사스 대학은시의 SiOx로 코팅 처리의 사용이 첫번째 충전 및 방전에 나노 와이어 발견 Si를 하나만 사이클 이후 40 % 체적 증가 나 노선되도록 프로세스 Si를 기공에 나노 와이어의 다수를 생성한다 에밀리 R. 애드킨스이 점 보여 실리콘 나노 와이어의 SiOx로 표면 및 내부 한계 정공 결함은 표면으로 이동하여 내부에서 핵 생성을 일으켜 미세 기공을 형성하며, 리튬 삽입시 SiOx 및 Si 물질의 부피 팽창과 관련이있다.
실험에 사용 된 Si 나노 와이어는 초 임계 유체 - 액체 - 고체 (SFLS) 방법으로 얻은 후 800 ℃에서 열처리하여 Si 나노 와이어의 표면에 약 10nm 두께의 산화물 층을 형성 하였다. 보기).
다음으로, Emily R. Adkins는 리튬 삽입 및 탈 리튬 중에 Si 나노 와이어의 변형을 in-situ 투과 전자 현미경으로 관찰했다. 다음 그림은 리튬 삽입 및 탈리의 다른 시간을 갖는 Si 나노 와이어의 인 시튜 TEM 이미지를 보여준다. 상기 실리콘 나노 와이어의 표면으로부터도 리튬 삽입 공정에서 본 후, 나노 와이어의 코어에 퍼졌다. 지름의 길이 방향으로 증가 리튬의 농도, 실리콘 나노 와이어를 장착 상당한 부피를받은 수 효과적으로 리튬 삽입 팽창시의 Si 재료의 양을 억제하도록 확장 최종 부피 팽창은 약 130 %에 도달 많은 이론적 인 양보다 300 % 팽창, Si를 완전히 리튬 Si를 방지 나노 와이어의 산화물 표면을 보였다 .
무화과 D로부터 리튬을 제거하는 동안 실리콘 나노 와이어 제조 다수의 기공을 볼 수있다 같은 현상 때문에 세공의 존재로 관찰 포스 SiOx의 Si 나노 입자의 표면에 코팅에도 , 실리콘의 부피가 완전히 오프 리튬 나노 와이어하더라도 흥미롭게 이러한 세공이 다시 나타나는 리튬, 리튬 오프 과정에서 다시 사라질 여전히 후 것이다. 여전히 원래보다 40 % 증가하지만, 이러한 기공 점유 된 부피는 첫 번째 리튬 삽입 이후의 부피와 비교하여 25 % 증가합니다.
다음 그림은,이 경우의 방전이 실리콘 나노 와이어에 나타나지 발생 파단시 포스 SiOx 표면의 내부 층을 일으키는 (2백70퍼센트) 때문에 실리콘 나노 와이어의 부피 팽창에 리튬의 실리콘 나노 와이어의 진행이 너무 크면 도시 미세 기공이 있고, Si 나노 와이어의 표면에 SiOx 층이없는 경우, 미세화는 delithiation 후 Si 나노 와이어 내부에 나타나지 않습니다.
일반적으로 Li는 Si 내부에서 천천히 확산하기 때문에 일반적으로 미세 기공이 형성되지 않고 Ge 확산이나 도핑 처리와 같은 Li 확산 속도가 빠른 일부 장면에서만 미세 기공이 발생합니다. 실리콘 나노 와이어 정공 수송 장벽의 실리콘 나노 와이어는 일반적으로 계산 미세 표시 전에 형성되고 약 0.45 eV로, 상기 구멍에 가까운 장벽 머리 (0.47eV)에서의 비정질 실리콘의 리튬의 이동이며 이는은 실리콘 나노 와이어의 표면으로 확산되지만, SiOx로 실리콘 나노 와이어 표면의 피복층이 상당히 다른 차면 포스 SiOx 배리어에서 정공 수송층은 0.72 eV에 도달하면 리튬 포스 SiOx 반응물 안타깝게도, 반응에 참여 않는 충 방전 과정 TEM 포스 SiOx 층에 의해 관찰 않았 장벽의 정공 이동도가 더욱 증가 될 것이다 리튬 실리케이트 및 기타 제품을 생성하는 단계 Li2Si2O5, Li4SiO4, Li2O를 생성 할 크게 확산 구멍 SiOx로 나노 와이어의 어려움을 증가시 LixSi 및 다른 제품은 구멍, 따라서 많은 수의 Si / SiOx를 인터페이스에 축적 될 것이며, 핵 생성 및 성장은, 인터페이스와, 미다진다 미세 기공의 수는 증가하고, 미세 기공의 핵 형성 긴 내부 나노 와이어의 Si에서의 미세 다수 형성 확산 된 Si 나노 와이어를 향하여 상기 코어는 Si의 delithiated 볼륨을 생성하는 것은 원래의 상태로하고, Si를 하우징과 SiOx를 사이에 나노 와이어 때문에 복원 할 수없는 나노 와이어 것 다른 부피 팽창은 Si 나노 와이어 내부에 응력을 발생시켜 미세 기공의 형성과 성장을 촉진시킵니다.
에밀리 R. 애드킨스 연구는 표면 산화물 층으로 코팅 된 Si 나노 와이어는 또한 실리콘 나노 와이어의 팽창 중에 대량 삽입 리튬을 억제 할 수 있지만,하지만 또한 결과 폼 미세 실리콘 나노 와이어의 충 방전 과정에서 발생할 것을 지시 Si 나노 와이어는 이후의 Si 나노 와이어 디자인에서 고려되는 delithiation 후에도 상당한 부피 팽창을 유지합니다.
