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Fracture Dynamics in Silicon Anode Solid-State Batteries

阳极 材料科学 动力学(音乐) 断裂(地质) 固态 工程物理 纳米技术 光电子学 化学物理 复合材料 化学 物理 物理化学 电极 声学
作者
Douglas Lars Nelson,Stephanie Elizabeth Sandoval,Jaechan Pyo,Donald Bistri,T. L. Thomas,Kelsey A. Cavallaro,John A. Lewis,Abhinav S. Iyer,Pavel Shevchenko,Claudio Di Leo,Matthew T. McDowell
标识
DOI:10.26434/chemrxiv-2024-lmcql
摘要

Solid-state batteries (SSBs) with silicon anodes could enable improved safety and energy density compared to lithium-ion batteries. However, degradation arising from the massive volumetric changes of silicon anodes during cycling are not well understood in solid-state systems. Here, we use operando X-ray computed microtomography to reveal micro-to-macro-scale chemo-mechanical degradation processes of silicon anodes in SSBs. Mud-type channel cracks driven by biaxial tensile stress form across the electrode during delithiation. We also find detrimental cracks at the silicon/solid electrolyte interface that form due to local reaction competition between neighboring domains of different sizes. Continuum phase-field damage modeling quantifies stress-driven channel cracking and shows that the lithiated silicon stress state is critical for determining the extent of interfacial fracture. This work reveals novel mechanisms that govern SSBs compared to conventional lithium-ion batteries and provides guidelines for engineering chemo-mechanically resilient electrodes for high-energy batteries.
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