Anisotropic lithium-ion insertion into silicon anodes: Microscopic analysis of structural changes and composition gradients

各向异性 离子 阳极 锂(药物) 材料科学 作文(语言) 化学物理 化学 光学 冶金 物理化学 物理 电极 生物 语言学 哲学 内分泌学 有机化学
作者
Norihiro Shimoi,Takashi Sato,Masae Komatsu
出处
期刊:Heliyon [Elsevier BV]
卷期号:11 (11): e43477-e43477
标识
DOI:10.1016/j.heliyon.2025.e43477
摘要

In this study, we investigated the process of lithium-ion insertion into silicon anodes for lithium-ion batteries using inductively coupled plasma treatment. We observed a distinctive stripe-like pattern on the silicon substrate surface after lithium-ion insertion. Cross-sectional analysis using various microscopy techniques revealed that these stripes corresponded to amorphous with higher lithium content, whereas the surrounding areas retained the crystalline silicon structure with lower lithium content. The study showed that lithium preferentially enters the silicon crystal along certain crystallographic planes, particularly the (111) and (002) planes. The boundaries between lithiated (amorphous) and non lithiated (crystalline) regions showed a terrace-like pattern along these planes. Electron energy loss spectroscopy analysis confirmed a higher lithium content in the amorphous stripe regions, than in the surrounding crystalline regions. The lithium-to-silicon ratio in the amorphous regions was estimated to be about 20:80 atomic percent, whereas in the crystalline regions, it was about 6:94 to 9:91 atomic percent. The research findings provide insights into the anisotropic nature of lithium-ion insertion into silicon and shows how the process leads to localized amorphization and structural changes. These findings contribute to the understanding of silicon anode behaviour in lithium-ion batteries and may support future designs for improved performance and longevity.
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