电流密度对微米硅电极断裂行为的影响

作     者：张兴玉 Zhang Xing-Yu

作者机构：南京航空航天大学航空学院航空航天交叉研究院机械结构力学及控制国家重点实验室南京210016 

出 版 物：《物理学报》 (Acta Physica Sinica)

年 卷 期：2020年第69卷第24期

页      面：290-298页

核心收录：

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0808[工学-电气工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

基　　金：国家自然科学基金(批准号:11902149) 江苏省自然科学基金(批准号:BK20190380) 江苏高校优势学科建设工程资助的课题 

主　　题：锂离子电池 硅电极 断裂行为 电流密度 

摘      要：高容量硅电极在脱/嵌锂过程中所发生的大体积变形、断裂行为会引起严重的力学衰减,并导致电极的电化学性能退化.这严重制约着硅电极材料在商业锂离子电池中的应用.目前,硅电极断裂行为的一些细节还未被彻底研究清楚.为了进一步研究微米硅电极的断裂行为,本文利用光学显微镜观测了单晶硅电极的形貌演化,分析了不同电流密度下硅电极的断裂行为,并重点研究了在不同电流密度下裂纹形成时硅电极的相对嵌锂深度.结果表明,电流密度越大,硅电极断裂越严重.但是在三种不同电流密度下,裂纹形成时硅电极相对嵌锂深度差异不大(18%—22%).这可能是由于微米硅电极各向异性变形所引起的局部应力集中在主导着断裂行为.这些实验结果与有限元模型预测结果一致.结合裂纹形成时锂化硅和晶体硅的界面位置以及力学模型,讨论了裂纹形成时锂化硅层内部应力分布状态.这些结果深化了对硅电极断裂行为的认识,并为硅电极的设计和合适的脱/嵌锂速率选择提供一定的指导.