Li Intercalation into Graphite: Direct Optical Imaging and Cahn–Hilliard Reaction Dynamics

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作者
Yinsheng Guo,Raymond B. Smith,Zhonghua Yu,Dmitri K. Efetov,Junpu Wang,Philip Kim,Martin Z. Bazant,Louis E. Brus
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:7 (11): 2151-2156 被引量:118
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.6b00625
摘要

Lithium intercalation into graphite is a critical process in energy storage technology. Studies of Li intercalation kinetics have proved challenging due to structural and phase complexity, and sample heterogeneity. Here we report direct time- and space-resolved, all-optical measurement of Li intercalation. We use a single crystal graphite electrode with lithographically defined disc geometry. All-optical, Raman and reflectance measurements distinguish the intrinsic intercalation process from side reactions, and provide new insight into the microscopic intercalation process. The recently proposed Cahn-Hilliard reaction (CHR) theory quantitatively captures the observed phase front spatial patterns and dynamics, using a two-layer free-energy model with novel, generalized Butler-Volmer kinetics. This approach unites Cahn-Hilliard and electrochemical kinetics, using a thermodynamically consistent description of the Li injection reaction at the crystal edge that involves a cooperative opening of graphene planes. The excellent agreement between experiment and theory presented here, with single-crystal resolution, provides strong support for the CHR theory of solid-state reactions.
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