Druckgradientenabhängige Diffusion und Rissausbreitung in lithiierten Silizium-Nanodrähten

Silizium ist ein vielversprechendes Material für den Einsatz in Lithium-Ionen-Batterieelektroden aufgrund seiner extrem hohen theoretischen Kapazität. Die Schwierigkeiten, die mit der Verwendung von Silizium in diesen Anwendungen verbunden sind, ergeben sich daraus, dass es während der Lithiation große volumetrische Ausdehnungen von bis zu 400 % durchläuft; solche extremen Ausdehnungen erzeugen hohe Spannungen, die zu Bruch und Kapazitätsverlust führen können. Bisherige Versuche, Rissbildung in lithiierten Materialien zu modellieren, haben die Auswirkungen von Druckgradienten auf den diffusionsbasierten Fluss vollständig ignoriert oder vereinfacht, was zu einer Überschätzung des Spannungszustands im Material führt. Wir haben eine Methode entwickelt, um die durch Lithiation induzierte Rissausbreitung in Silizium-Nanodrähten zu untersuchen, die die Auswirkungen von Druckgradienten innerhalb des Materials auf den Fluss berücksichtigt. Unser Ansatz besteht aus Finite-Elemente-Simulationen, bei denen die Druckgradienten numerisch berechnet und zur Berechnung des Flussvektors verwendet werden. Diese Methode ermöglicht es uns, den Einfluss der Rissspitze auf die lokalisierte Diffusion zu erfassen, die eine wichtige Rolle bei der Verhinderung des Risswachstums spielt. Wir haben unsere Methode verwendet, um die Auswirkungen der Ladegeschwindigkeit und der Partikelgröße auf die Rissausbreitung in Silizium-Nanodrähten zu untersuchen. Drei Risswachstumsregime wurden beobachtet, abhängig von der Ladegeschwindigkeit und dem Durchmesser des Nanodrahts – kein Wachstum, gestopptes Wachstum und vollständiges Wachstum – und sie wurden in einem Versagensdiagramm tabelliert.