硅负极在固态电池中的微结构——从晶体到非晶
材料科学
2025-07-23 v1
摘要
硅作为潜在的负极活性材料和锂金属在所有固态锂离子电池中的最佳替代品具有巨大的潜力。然而，其实际应用受到在锂化过程中约 300% 体积膨胀导致去锂时开裂的限制。本研究利用冷冻扫描透射电子显微镜（STEM）在无固体电解质的环境下考察了 microcrystalline 硅电极在电化学循环中的微结构演化。受控的工作流程可防止环境暴露，cryo-TEM 确保结构完整。第一次锂化后，电极显示出晶体 Li15Si4、各种非晶 LixSi 相以及残余晶体硅的异构混合物。在去锂后，结构主要为非晶状，呈现 thread-like 特征，剩余晶体性很小。第 10 次去锂后，微结构更均匀，thread-like 区域主要位于晶界。我们的结果表明，从晶体相开始，bulk 硅仅在经过数个循环后才会出现稳态微结构。因此，为获得电极更可控的行为并最小化开裂，应谨慎选择起始材料，并配合优化的电极结构以稳定电极在循环过程中的微结构。
引用
@article{arxiv.2507.16561,
title = {Microstructure of Silicon Anodes in Solid-State Batteries -- From Crystalline to Amorphous},
author = {Shamail Ahmed and Federico Rossi and Hanyu Huo and Johannes Haust and Franziska Hueppe and Juergen Belz and Andreas Beyer and Juergen Janek and Kerstin Volz},
journal= {arXiv preprint arXiv:2507.16561},
year = {2025}
}