Failure Modes of Silicon Powder Negative Electrode in Lithium Secondary Batteries

Abstract

Si composite negative electrodes for lithium secondary batteries degrade in the dealloying period with an abrupt increase in internal resistance that is caused by a breakdown of conductive network made between Si and carbon particles. This results from a volume contraction of Si particles after expansion in the previous alloying process. Due to the large internal resistance, the dealloying reaction is not completed while Si remains as a lithiated state. The anodic performance is greatly improved either by applying a pressure on the cells or loading a larger amount of conductive carbon in the composite electrodes.

Lithiation Behavior of Silicon Nanowire Anodes for Lithium‐Ion Batteries: Impact of Functionalization and Porosity

“…[6] Additionally,t he expansion of the particles leads to the expansion of the entire layer of active material that becomes prone to delamination. [7] Further,t he continuous volumec hange damages the solid electrolyte interphase( SEI), which is rebuilt constantly,a nd thus reduces the cycling efficiency andi ncreases the polarization. [8] Twoi mportant counter measures have prevailed:n anostructures smallert han 150 nm are common in research andp revent pulverization of the active material.…”

Li‐Ion Batteries and Beyond: Future Design Challenges

“…Sohn et al [24] and in short, the main issue of the Si electrode is a large volume change of the silicon particles, which leads to the cracking or pulverization of Si particles (or electrode) resulting in loss of electrical contact between the Si and the current collector. [25] Various approaches have been attempted to improve the performance of Si electrodes and the key issues are how to suppress the volume change of the electrode and how to maintain good electrical contact to each Si particle. Nano-structured Si (Si nano-wire, meso-porous Si, Si nano particles, etc.…”

The Current Formation Processes in Lithium Power Sources with SiO2 – C Composite Cathode

“…Проте, як показали подальші дослідження, у процесі електрохімічного впровадження / екстракції йонів літію в електродний матеріал на основі кремнію, останній зазнає значних об'ємних змін ( об'єм комірки в перерахунку на один атом кремнію для сполуки Li 4,4 Si більш, ніж у 4 рази перевищує об'єм комірки вихідного матеріалу, тобто спостерігається 400 % об'ємне розширення ґратки кремнію), що приводить до розтріскування та руйнування елект-роду [5,6]. Для подолання вказаної проблеми зменшували розміри частинок кремнію [7], покращу-вали електричний контакт між частинками кремнію за рахунок введення струмопровідних добавок (графіту і / або нанорозмірної вуглецевої сажі) в мікро-Si аноди [8], використовували кремнієві нано-трубки [9,10], нанодротини [11,12], 3D-пористі частинки кремнію [13,14]. Інший підхід передбачав застосування композиційних електродних матеріалів, сформованих з неактивної чи активної матриці-"господаря", в якій дисперговані частинки кремнію.…”