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硅负极充放电的体积变化难题解决方案,离商业化又前进了一大步!

2023-01-09 来源:锂电前沿 浏览数:1

在锂离子电池中,硅负极充放电过程会发生体积膨胀,最终导致电池失效。硅负极充放电的体积变化可谓是锂电池不得不提的老大难问题,无数科学家和工程师为之折腰。


然而,正是这个致命伤,却启发科学家开发了一种新型的可重构材料,可广泛应用于基于形状变化的智能传感器、微米机器人以及建筑材料等等领域。

近日,加州理工学院的Juliar. Greer团队通过一种新的方法诱导形状变换来克服这个问题。该研究报道一种“架构”材料,使用电池中发生的电化学反应,通过控制电荷转移的数量和材料中子结构的几何形状,可以调节形状转换的波动性。


研究者首先使用3D打印机从聚合物制造笼状3D微晶格,然后依次用镍层和硅层涂覆晶格。硅是被用作锂离子电池中的阳极材料,其通过将锂离子从其阴极移动到阳极而放电。当阳极充满锂离子时,硅阳极的体积会膨胀约300%,作者便是使用这种电化学反应作为外部刺激来触发其架构材料中的屈曲。


作者观察到硅涂层晶格在放电时经历形状的变换,并可通过再充电反转,反之亦然。与基于软材料的建筑材料不同,这种形状变化可以通过充放电连续调控,并且当停止放电或充电时保持新的形状,说明这种通过电化学刺激形状变换是非易失性的。同时,该方法可以控制晶格屈曲的位置,从而实现复杂的形状变化。过提供轻微的偏压将精确定位的缺陷引入晶格中,从而导致在特定方向上发生屈曲。


本文以化学-机械模型揭示了不同变形机制之间的动态相互作用,并证明了缺陷在屈曲期间的成核和生长中起着控制作用,类似于多晶金属薄膜生长。作者使用统计力学工具来分析随机域的形成过程和人工缺陷的植入以精确设计域边界的形状。这种建筑材料的设计,制造,建模,预测和编程框架为开发智能、多功能材料提供新途径。

图文导读

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图1 Si微晶格锂化前后SEM图


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图2 锂化诱导Si微晶格形变的原位光学电化学性能表征


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图3 化学-机械模型示意图


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图4 缺陷在材料屈曲形变中的影响


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图5 材料形变时动态数据分析


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 图6 电化学锂化过程诱导Si晶格形变

 

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