Effect of Electrochemical Charging on Elastoplastic Properties and Fracture Toughness of LiXCoO2

材料科学 纳米压痕 微晶 电化学 断裂韧性 锂(药物) 阴极 复合材料 介电谱 拉曼光谱 韧性 电极 冶金 化学 内分泌学 物理化学 物理 光学 医学
作者
Jessica G. Swallow,William H. Woodford,Frank P. McGrogan,Nicola Ferralis,Yet‐Ming Chiang,Krystyn J. Van Vliet
出处
期刊:Journal of The Electrochemical Society [Institute of Physics]
卷期号:161 (11): F3084-F3090 被引量:88
标识
DOI:10.1149/2.0141411jes
摘要

Mechanical degradation of lithium-ion battery (LIB) electrodes has been correlated with capacity fade and impedance growth over repeated charging and discharging. Knowledge of how the mechanical properties of materials used in LIBs are affected by electrochemical lithiation and delithiation could provide insight into design choices that mitigate mechanical damage and extend device lifetime. Here, we measured Young's modulus E , hardness H , and fracture toughness K Ic via instrumented nanoindentation of the prototypical intercalation cathode, Li X CoO 2 , after varying durations of electrochemical charging. After a single charge cycle, E and H decreased by up to 60%, while K Ic decreased by up to 70%. Microstructural characterization using optical microscopy, Raman spectroscopy, X-ray diffraction, and further nanoindentation showed that this degradation in K Ic was attributable to Li depletion at the material surface and was also correlated with extensive microfracture at grain boundaries. These results indicate that K Ic reduction and irreversible microstructural damage occur during the first cycle of lithium deintercalation from polycrystalline aggregates of Li X CoO 2 , potentially facilitating further crack growth over repeated cycling. Such marked reduction in K Ic over a single charge cycle also yields important implications for the design of electrochemical shock-resistant cathode materials.
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