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Surface Coating Constraint Induced Self-Discharging of Silicon Nanoparticles as Anodes for Lithium Ion Batteries

材料科学 涂层 阳极 锂(药物) 聚吡咯 纳米颗粒 图层(电子) 复合材料 纳米技术 电极 聚合物 化学工程 光电子学 化学 物理化学 内分泌学 工程类 医学 聚合
作者
Langli Luo,Peng Zhao,Hui Yang,Borui Liu,Ji‐Guang Zhang,Yi Cui,Guihua Yu,Sulin Zhang,Chong-Min Wang
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:15 (10): 7016-7022 被引量:116
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.5b03047
摘要

One of the key challenges of Si-based anodes for lithium ion batteries is the large volume change upon lithiation and delithiation, which commonly leads to electrochemi-mechanical degradation and subsequent fast capacity fading. Recent studies have shown that applying nanometer-thick coating layers on Si nanoparticle (SiNPs) enhances cyclability and capacity retention. However, it is far from clear how the coating layer function from the point of view of both surface chemistry and electrochemi-mechanical effect. Herein, we use in situ transmission electron microscopy to investigate the lithiation/delithiation kinetics of SiNPs coated with a conductive polymer, polypyrrole (PPy). We discovered that this coating layer can lead to "self-delithiation" or "self-discharging" at different stages of lithiation. We rationalized that the self-discharging is driven by the internal compressive stress generated inside the lithiated SiNPs due to the constraint effect of the coating layer. We also noticed that the critical size of lithiation-induced fracture of SiNPs is increased from ∼150 nm for bare SiNPs to ∼380 nm for the PPy-coated SiNPs, showing a mechanically protective role of the coating layer. These observations demonstrate both beneficial and detrimental roles of the surface coatings, shedding light on rational design of surface coatings for silicon to retain high-power and high capacity as anode for lithium ion batteries.
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