纯硅负极在充放电过程中体积膨胀率过高是负极材料难题,对于无定形硅、多晶硅、单晶硅的表现不一样及相关机理如下:
区别
•无定形硅:原子排列无序,不存在规整的晶格结构,充放电过程中各方向的膨胀相对较为均匀,但由于其本身结构的不稳定性,体积膨胀率可能更高,一般会达到 300% 左右 。
•多晶硅:由许多不同排列方向的单晶粒组成,存在大量晶界。在充放电时,由于晶界处原子排列不规则,会成为应力集中点,使得硅颗粒在这些位置更容易发生破裂和粉化,进而导致整体体积膨胀,其膨胀率也比较高,接近 300%3 。
•单晶硅:原子排列高度规整且周期性延续,具有较少的晶格缺陷,结构相对稳定。在充放电过程中,虽然也会因锂嵌入导致体积膨胀,但膨胀方向相对较为一致,且由于其结构的稳定性,对膨胀有一定的抑制作用,其体积膨胀率相对较低,约为 200%-250% 左右 。
机理
•无定形硅:在充放电过程中,锂离子嵌入无定形硅时,会破坏原有的原子间键合,使硅原子间的距离增大,同时由于其原子排列无序,没有固定的晶格限制,各个原子都有较大的自由度来调整位置以容纳锂离子,从而导致整体体积大幅膨胀。并且,由于无定形硅中的部分原子含有悬空键,这些悬空键在与锂离子相互作用时,也可能会引起局部结构的进一步变形和膨胀 。
•多晶硅:多晶硅中的每个单晶粒在充放电时都会像单晶硅一样发生体积膨胀,但由于不同单晶粒的晶体取向不同,膨胀方向不一致,在晶界处会产生相互挤压和错动,这种不均匀的膨胀会导致晶界处产生较大的应力集中。当应力超过材料的承受极限时,晶界就会出现裂纹和破碎,使得硅颗粒逐渐粉化,进一步加剧了体积的膨胀.
•单晶硅:单晶硅的晶体结构规整,锂离子在嵌入时,主要是沿着特定的晶格方向进行扩散和嵌入,导致硅原子在这些方向上的间距增大,从而引起体积膨胀。虽然其膨胀率相对较低,但由于单晶硅的高强度和高硬度等特性,这种膨胀产生的应力可能会对电极材料的结构和性能产生较大影响,如导致电极材料的开裂和脱落等.
硅晶粉,它的晶态是它胜出其他材料的根本。
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