In Situ TEM Investigation of Congruent Phase Transition and Structural Evolution of Nanostructured Silicon/Carbon Anode for Lithium Ion Batteries

材料科学 成核 硅 阳极 无定形固体 化学工程 相(物质) 化学物理 结晶 透射电子显微镜 纳米技术 结晶学 光电子学 化学 电极 物理化学 有机化学 工程类
作者
Chong-Min Wang,Xiaolin Li,Zhiguo Wang,Wu Xu,Jun Liu,Fei Gao,Libor Kovařík,Ji‐Guang Zhang,Jane Y. Howe,David J. Burton,Zhongyi Liu,Xingcheng Xiao,Suntharampillai Thevuthasan,Donald R. Baer
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:12 (3): 1624-1632 被引量:280
标识
DOI:10.1021/nl204559u
摘要

It is well-known that upon lithiation, both crystalline and amorphous Si transform to an armorphous Li(x)Si phase, which subsequently crystallizes to a (Li, Si) crystalline compound, either Li(15)Si(4) or Li(22)Si(5). Presently, the detailed atomistic mechanism of this phase transformation and the degradation process in nanostructured Si are not fully understood. Here, we report the phase transformation characteristic and microstructural evolution of a specially designed amorphous silicon (a-Si) coated carbon nanofiber (CNF) composite during the charge/discharge process using in situ transmission electron microscopy and density function theory molecular dynamic calculation. We found the crystallization of Li(15)Si(4) from amorphous Li(x)Si is a spontaneous, congruent phase transition process without phase separation or large-scale atomic motion, which is drastically different from what is expected from a classic nucleation and growth process. The a-Si layer is strongly bonded to the CNF and no spallation or cracking is observed during the early stages of cyclic charge/discharge. Reversible volume expansion/contraction upon charge/discharge is fully accommodated along the radial direction. However, with progressive cycling, damage in the form of surface roughness was gradually accumulated on the coating layer, which is believed to be the mechanism for the eventual capacity fade of the composite anode during long-term charge/discharge cycling.
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