Impact of solid-electrolyte interphase reformation on capacity loss in silicon-based lithium-ion batteries

硅 电解质 材料科学 锂(药物) 阳极 微观结构 复合数 纳米技术 扫描电子显微镜 化学工程 复合材料 化学 光电子学 电极 工程类 内分泌学 物理化学 医学
作者
Thomas Vorauer,Johanna Schöggl,Sidharth Sanadhya,Michael Poluektov,Widanalage Dhammika Widanage,Łukasz Figiel,Sebastian Schädler,Benjamin Tordoff,Bernd Fuchsbichler,Stefan Koller,Roland Brunner
出处
期刊:Communications materials [Nature Portfolio]
卷期号:4 (1) 被引量:62
标识
DOI:10.1038/s43246-023-00368-1
摘要

Abstract High-density silicon composite anodes show large volume changes upon charging/discharging triggering the reformation of the solid electrolyte interface (SEI), an interface initially formed at the silicon surface. The question remains how the reformation process and accompanied material evolution, in particular for industrial up-scalable cells, impacts cell performance. Here, we develop a correlated workflow incorporating X-ray microscopy, field-emission scanning electron microscopy tomography, elemental imaging and deep learning-based microstructure quantification suitable to witness the structural and chemical progression of the silicon and SEI reformation upon cycling. The nanometer-sized SEI layer evolves into a micron-sized silicon electrolyte composite structure at prolonged cycles. Experimental-informed electrochemical modelling endorses an underutilisation of the active material due to the silicon electrolyte composite growth affecting the capacity. A chemo-mechanical model is used to analyse the stability of the SEI/silicon reaction front and to investigate the effects of material properties on the stability that can affect the capacity loss.
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