Polymorphic Transition to Metastable Phases in Hollow Structured Silicon Anode in a Li-ions Battery
鋰電池矽陽極之特殊結構與多形態相變化
S.-W. Chen*(陳世偉), S.-A. Chen(陳興安), T.-S. Chan(詹丁山), S.-C. Weng(翁世璋), Y.-F. Liao(廖彥發), N. Hiraoka(平岡望), T.-Y. Chen, B.-Y. Shew(許博淵), J.-M. Chen(陳錦明), and C.-H. Lee
2022/03/17
開發高電容量鋰電池的關鍵是使用矽陽極並有效控制充放電過程發生的體積膨帳。但是矽陽極發生體積膨脹並造成極片破裂與電池失效的問題一直沒能有效解決。沒能解決的原因，是因為不能徹底瞭解矽陽極在充放電過程發生的細微結構變化。我們製作中空球殼結構的矽陽極粉末，並利用高解析的同步輻射X光繞射、X光吸收光譜分析來清楚解析充放電過程的結構變化。發現中空球殼結構矽陽極粉末在充電(鋰化反應)過程會發生polymorphic transition並形成LiSi、Li2Si、Li13Si4與L4.1Si相結構。鋰化反應的最終相Li4.1Si與傳統矽陽極粉末所形成的Li15Si4結構不同，可以容納更多的鋰離子，中空球殼結構矽陽極因此在250圈的充放電循環之後仍保有2500 mAh/g的電容量。Li4.1Si原是高溫穩定相，只存在於475度以上的高溫環境，Li4.1Si也能存在於常溫的鋰電池陽極結構中是因為中空球殼結構矽陽極粉末能提供高過飽和度與高表面能來降低介穩相的臨界成核尺寸。不只中空球殼結構，Li4.1Si也會在鋰化反應後的奈米顆粒、奈米線或多孔結構中存在，只要該結構滿足polymorphic transition的進行條件。
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