journal article·2024-02Open access

Voltage Hysteresis of Silicon Nanoparticles: Chemo‐Mechanical Particle‐SEI Model

Lukas Köbbing, Arnulf Latz, Birger Horstmann

Advanced Functional Materials· Volume 34· Issue 7

Abstract

Abstract Silicon is a promising anode material for next‐generation lithium‐ion batteries. However, the volume change and the voltage hysteresis during lithiation and delithiation are two substantial drawbacks to their lifetime and performance. The reason for the voltage hysteresis in amorphous silicon nanoparticles covered by a solid‐electrolyte interphase (SEI) is investigated. Concentration gradients inside the nanoscale silicon cannot produce the massive stresses necessary to cause the reported voltage hysteresis. The chemo‐mechanical model shows that plastic deformation of the stiff, inorganic SEI during lithiation and delithiation reproduces the observed silicon open‐circuit voltage hysteresis. Additionally, the viscous behavior of the SEI explains the difference between the voltage hysteresis observed at low currents and after relaxation. It is concluded that the visco‐elastoplastic behavior of the SEI is the origin of the voltage hysteresis in silicon nanoparticle anodes. Thus, consideration of the SEI mechanics is crucial for further improvements.
Source: crossref · Quality: baseline

Research context

OpenAlex topics: Advancements in Battery Materials · Supercapacitor Materials and Fabrication · Advanced Battery Materials and Technologies

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

Institute of Engineering Thermodynamics German Aerospace Center (DLR) Wilhelm‐Runge‐Straße 10 89081 Ulm Germany

Helmholtz Institute Ulm (HIU) Helmholtzstraße 11 89081 Ulm Germany

Institute of Electrochemistry Ulm University Albert‐Einstein‐Allee 47 89081 Ulm Germany

Funding

Deutsche Forschungsgemeinschaft

References (95)

Show source-provided references
1. 10.1016/j.nanoen.2016.11.01310.1016/j.nanoen.2016.11.013 ↗
2. 10.1149/1945-7111/abd56f10.1149/1945-7111/abd56f ↗
3. 10.1002/sstr.20210000910.1002/sstr.202100009 ↗
4. 10.1016/j.ensm.2022.01.04210.1016/j.ensm.2022.01.042 ↗
5. 10.1039/D2EE03257K10.1039/D2EE03257K ↗
6. 10.1149/2.1261807jes10.1149/2.1261807jes ↗
7. 10.1021/nn204476h10.1021/nn204476h ↗
8. 10.1016/j.ijsolstr.2014.11.00610.1016/j.ijsolstr.2014.11.006 ↗
9. 10.1016/j.jpowsour.2016.09.08510.1016/j.jpowsour.2016.09.085 ↗
10. 10.1039/C9SE01165J10.1039/C9SE01165J ↗
11. 10.1007/s10008-022-05141-x10.1007/s10008-022-05141-x ↗
12. 10.1016/j.xcrp.2022.10081110.1016/j.xcrp.2022.100811 ↗
13. 10.1002/aenm.20160009910.1002/aenm.201600099 ↗
14. 10.1021/acsami.6b0382210.1021/acsami.6b03822 ↗
15. 10.1039/C8CP03540G10.1039/C8CP03540G ↗
16. 10.1002/cssc.20180196910.1002/cssc.201801969 ↗
17. 10.1016/j.jpowsour.2008.07.07610.1016/j.jpowsour.2008.07.076 ↗
18. 10.1016/j.jpowsour.2010.02.01310.1016/j.jpowsour.2010.02.013 ↗
19. 10.1149/1.348937810.1149/1.3489378 ↗
20. 10.1149/2.008303jes10.1149/2.008303jes ↗
21. 10.1021/jp512585z10.1021/jp512585z ↗
22. 10.1039/C5CP06179B10.1039/C5CP06179B ↗
23. 10.1063/1.499527710.1063/1.4995277 ↗
24. 10.1038/nnano.2007.41110.1038/nnano.2007.411 ↗
25. 10.1038/nnano.2012.3510.1038/nnano.2012.35 ↗
26. 10.1149/1.358930110.1149/1.3589301 ↗
27. 10.1016/j.jpowsour.2019.22676910.1016/j.jpowsour.2019.226769 ↗
28. 10.1016/j.jpowsour.2018.12.01010.1016/j.jpowsour.2018.12.010 ↗
29. K.Pan Ph.D. thesis Ohio State University Columbus OH2020.
30. 10.1002/adma.20130179510.1002/adma.201301795 ↗
31. 10.1021/nl204437t10.1021/nl204437t ↗
32. 10.1016/j.jmps.2012.11.00110.1016/j.jmps.2012.11.001 ↗
33. 10.1016/j.jpowsour.2018.12.01110.1016/j.jpowsour.2018.12.011 ↗
34. 10.1149/1945-7111/abbbba10.1149/1945-7111/abbbba ↗
35. 10.1016/j.jmps.2011.01.00310.1016/j.jmps.2011.01.003 ↗
36. 10.1016/j.ijsolstr.2015.04.02810.1016/j.ijsolstr.2015.04.028 ↗
37. 10.1149/1.347422510.1149/1.3474225 ↗
38. 10.1111/j.1551-2916.2011.04432.x10.1111/j.1551-2916.2011.04432.x ↗
39. 10.1016/j.jmps.2012.03.00810.1016/j.jmps.2012.03.008 ↗
40. 10.1039/D1EE00767J10.1039/D1EE00767J ↗
41. 10.1016/j.coelec.2018.10.01310.1016/j.coelec.2018.10.013 ↗
42. 10.1002/cssc.20200086710.1002/cssc.202000867 ↗
43. 10.1016/j.jpowsour.2023.23265110.1016/j.jpowsour.2023.232651 ↗
44. 10.1016/j.joule.2018.12.01310.1016/j.joule.2018.12.013 ↗
45. 10.1149/2.044302jes10.1149/2.044302jes ↗
46. 10.1021/jp404155y10.1021/jp404155y ↗
47. 10.1149/2.1921712jes10.1149/2.1921712jes ↗
48. 10.1039/C9NR05748J10.1039/C9NR05748J ↗
49. 10.1149/1945-7111/abe98410.1149/1945-7111/abe984 ↗
50. 10.1016/j.xcrp.2021.10066810.1016/j.xcrp.2021.100668 ↗
51. 10.1021/acsami.2c1948410.1021/acsami.2c19484 ↗
52. 10.1021/acsami.7b0664710.1021/acsami.7b06647 ↗
53. 10.1021/acsaem.8b0034410.1021/acsaem.8b00344 ↗
54. 10.1016/j.nanoen.2019.10425710.1016/j.nanoen.2019.104257 ↗
55. 10.1002/adfm.20201064010.1002/adfm.202010640 ↗
56. 10.1002/batt.20210021610.1002/batt.202100216 ↗
57. 10.1021/acsami.8b2222110.1021/acsami.8b22221 ↗
58. 10.1038/s41560-020-0601-110.1038/s41560-020-0601-1 ↗
59. 10.1149/1945-7111/abdddf10.1149/1945-7111/abdddf ↗
60. 10.1002/ente.20200083510.1002/ente.202000835 ↗
61. Holzapfel G. · 2000
62. 10.1017/CBO978051176295610.1017/CBO9780511762956 ↗
63. 10.1039/C4CP01968G10.1039/C4CP01968G ↗
64. 10.1021/acsami.5b0670010.1021/acsami.5b06700 ↗
65. 10.1016/j.ensm.2019.10.00910.1016/j.ensm.2019.10.009 ↗
66. 10.1039/D2EE04148K10.1039/D2EE04148K ↗
67. 10.1038/s41467-023-37033-710.1038/s41467-023-37033-7 ↗
68. 10.1016/j.jpowsour.2014.11.12010.1016/j.jpowsour.2014.11.120 ↗
69. 10.1021/acs.jpcc.5b0359110.1021/acs.jpcc.5b03591 ↗
70. 10.1007/s10853-016-0575-310.1007/s10853-016-0575-3 ↗
71. 10.1021/acs.jpcc.0c0642010.1021/acs.jpcc.0c06420 ↗
72. 10.1002/aenm.20210358910.1002/aenm.202103589 ↗
73. 10.1002/aenm.20140139810.1002/aenm.201401398 ↗
74. 10.1016/j.apsusc.2019.14505910.1016/j.apsusc.2019.145059 ↗
75. 10.1016/j.cclet.2020.09.00810.1016/j.cclet.2020.09.008 ↗
76. 10.1103/PhysRevLett.96.07550510.1103/PhysRevLett.96.075505 ↗
77. 10.1063/1.243671810.1063/1.2436718 ↗
78. 10.1021/nl801724b10.1021/nl801724b ↗
79. 10.1021/nl073323310.1021/nl0733233 ↗
80. 10.1021/acs.nanolett.5b0160310.1021/acs.nanolett.5b01603 ↗
81. 10.1088/0143-0807/5/4/00310.1088/0143-0807/5/4/003 ↗
82. 10.1109/16.4366110.1109/16.43661 ↗
83. 10.1063/1.35745010.1063/1.357450 ↗
84. 10.1155/2008/81782910.1155/2008/817829 ↗
85. 10.1149/2.0221902jes10.1149/2.0221902jes ↗
86. 10.1103/PhysRevB.70.13411310.1103/PhysRevB.70.134113 ↗
87. 10.1002/adem.20190019210.1002/adem.201900192 ↗
88. 10.1103/PhysRevB.37.413210.1103/PhysRevB.37.4132 ↗
89. 10.1016/j.jpowsour.2010.04.04410.1016/j.jpowsour.2010.04.044 ↗
90. 10.1063/1.165406010.1063/1.1654060 ↗
91. 10.1103/PhysRevB.58.894110.1103/PhysRevB.58.8941 ↗
92. 10.1021/nl204282y10.1021/nl204282y ↗
93. 10.1016/j.jpowsour.2004.02.03210.1016/j.jpowsour.2004.02.032 ↗
94. 10.1109/ITEC48692.2020.916159110.1109/ITEC48692.2020.9161591 ↗
95. 10.1016/j.est.2022.10501610.1016/j.est.2022.105016 ↗