[SMM Analysis] The Severe Volume Effect of Silicon During Lithiation Is the Biggest Limitation for the Commercialization of Silicon-Based Materials

Publicado: Dec 27, 2024 13:07
[SMM Analysis: The Severe Volume Effect of Silicon During Lithiation Is the Biggest Limitation for the Commercialization of Silicon-Based Materials] SMM, December 27: During complete lithiation, the volume of silicon expands by more than 300%, and this significant volume change brings a series of problems...

SMM, December 27:

When silicon is fully lithiated, its volume expands by more than 300%, and this significant volume change brings a series of issues. 1) The volume effect causes high internal stress in the battery, which can easily compress the pole piece, leading to cracks and even pulverization of the silicon anode material. 2) The volume expansion effect makes the electrode material prone to losing contact with the current collector, causing the active material to detach from the pole piece, resulting in rapid capacity decay of the battery. 3) The volume expansion effect tends to form an unstable solid electrolyte interphase (SEI) film. Due to the volume change of silicon, the SEI film breaks, exposing new silicon surfaces that generate new SEI films, continuously consuming lithium ions in the electrolyte. This leads to irreversible capacity loss and low initial charge efficiency. Additionally, the SEI thickness increases with electrochemical cycling, and an excessively thick SEI layer hinders electron transfer and Li+ ion diffusion, increasing impedance.

Furthermore, as the silicon content increases, the initial Coulombic efficiency decreases. The initial irreversible cycle loss of silicon materials can reach up to 30% (compared to 5-10% for graphite). Side reactions between the electrolyte solvent and lithium chemicals form a solid electrolyte interphase (SEI) film on the anode of the lithium-ion battery, consuming lithium. Volume changes prevent the SEI from stably forming on the Si electrode surface, causing repeated SEI breakage and consuming a large amount of Li+ ions. Meanwhile, the SEI thickness increases with electrochemical cycling, and an excessively thick SEI layer hinders electron transfer and Li+ ion diffusion, increasing impedance and polarization.

Solutions to the issues of silicon-based anodes:

(1) Nanostructuring

(2) Coating

Reducing particle size increases surface energy, and the surface energy of nanoparticles rises, weakening stability and causing the electrolyte to preferentially decompose (reduction/oxidation) with the nanoparticles.

(3) Compromise solution -- Silicon monoxide anode

(Image source: Internet)


SMM New Energy Research Team

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

Declaração sobre a Fonte de Dados: Com exceção das informações publicamente disponíveis, todos os demais dados são processados pela SMM com base em informações publicamente disponíveis, comunicação de mercado e com base no modelo de base de dados interna da SMM. São apenas para referência e não constituem recomendações para a tomada de decisão.

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