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

Köbbing, Lukas und Latz, Arnulf und Horstmann, Birger (2024) Voltage Hysteresis of Silicon Nanoparticles: Chemo-Mechanical Particle-SEI Model. Advanced Functional Materials, 34 (7), Seite 2308818. Wiley. doi: 10.1002/adfm.202308818. ISSN 1616-301X.

[img] PDF - Nur DLR-intern zugänglich - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
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Offizielle URL: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202308818

Kurzfassung

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.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/200159/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Voltage Hysteresis of Silicon Nanoparticles: Chemo-Mechanical Particle-SEI Model
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Köbbing, LukasLukas.Koebbing (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-1806-6732149040871
Latz, ArnulfArnulf.Latz (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-1449-8172NICHT SPEZIFIZIERT
Horstmann, BirgerBirger.Horstmann (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-1500-0578149040874
Datum:12 Februar 2024
Erschienen in:Advanced Functional Materials
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:34
DOI:10.1002/adfm.202308818
Seitenbereich:Seite 2308818
Verlag:Wiley
ISSN:1616-301X
Status:veröffentlicht
Stichwörter:lithium-ion batteries, solid-electrolyte interphase, battery aging, silicon anode, voltage hysteresis, plastic flow, SEI mechanics
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Materialien und Technologien für die Energiewende
HGF - Programmthema:Chemische Energieträger
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E SP - Energiespeicher
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Elektrochemische Prozesse, E - Elektrochemische Speicher
Standort: Ulm
Institute & Einrichtungen:Institut für Technische Thermodynamik > Computergestützte Elektrochemie
Hinterlegt von: Köbbing, Lukas
Hinterlegt am:19 Dez 2023 17:28
Letzte Änderung:29 Mai 2024 17:40

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