[Analyse SMM] L'effet de volume sévère du silicium lors de la lithiation est la plus grande limitation à la commercialisation des matériaux à base de silicium

SMM, 27 décembre :

Lorsque le silicium est entièrement lithiaté, son volume augmente de plus de 300 %, et ce changement de volume significatif entraîne une série de problèmes. 1) L'effet de volume provoque un stress interne élevé dans la batterie, ce qui peut facilement comprimer la pièce polaire, entraînant des fissures et même la pulvérisation du matériau d'anode en silicium. 2) L'expansion volumique rend le matériau de l'électrode susceptible de perdre le contact avec le collecteur de courant, provoquant le détachement du matériau actif de la pièce polaire, ce qui entraîne une diminution rapide de la capacité de la batterie. 3) L'expansion volumique tend à former un film d'interface électrolytique solide (SEI) instable. En raison du changement de volume du silicium, le film SEI se brise, exposant de nouvelles surfaces de silicium qui génèrent de nouveaux films SEI, consommant continuellement des ions lithium dans l'électrolyte. Cela conduit à une perte de capacité irréversible et à une faible efficacité de charge initiale. De plus, l'épaisseur du SEI augmente avec les cycles électrochimiques, et une couche SEI excessivement épaisse entrave le transfert d'électrons et la diffusion des ions Li+, augmentant l'impédance.

En outre, à mesure que la teneur en silicium augmente, l'efficacité coulombique initiale diminue. La perte de cycle irréversible initiale des matériaux en silicium peut atteindre jusqu'à 30 % (contre 5-10 % pour le graphite). Les réactions secondaires entre le solvant de l'électrolyte et les composés de lithium forment un film SEI sur l'anode de la batterie lithium-ion, consommant du lithium. Les changements de volume empêchent le SEI de se former de manière stable sur la surface de l'électrode en silicium, provoquant des ruptures répétées du SEI et consommant une grande quantité d'ions Li+. Par ailleurs, l'épaisseur du SEI augmente avec les cycles électrochimiques, et une couche SEI excessivement épaisse entrave le transfert d'électrons et la diffusion des ions Li+, augmentant l'impédance et la polarisation.

Solutions aux problèmes des anodes à base de silicium :

(1) Nanostructuration

(2) Revêtement

La réduction de la taille des particules augmente l'énergie de surface, et l'énergie de surface des nanoparticules s'élève, affaiblissant la stabilité et provoquant la décomposition préférentielle de l'électrolyte (réduction/oxydation) avec les nanoparticules.

(3) Solution de compromis -- Anode en monoxyde de silicium

(Source de l'image : Internet)

Équipe de recherche sur les nouvelles énergies de SMM

Cong Wang 021-51666838

Xiaodan Yu 021-20707870

Rui Ma 021-51595780

Ying Xu 021-51666707

Disheng Feng 021-51666714

Yujun Liu 021-20707895

Yanlin Lü 021-20707875

Zhicheng Zhou 021-51666711

Haohan Zhang 021-51666752

Zihan Wang 021-51666914

Xiaoxuan Ren 021-20707866

Yushuo Liang 021-20707892

Jie Wang 021-51595902

Yang Xu 021-51666760

Mengqi Xu 021-20707868