非晶硅两步电化学锂化过程中弹性软化的本构应力缓解

郑贾李腾，非晶硅两步电化学锂化过程中弹性软化的本征应力缓解，固体力学与物理学报， 91, 278-290， (2016) (doi:10.1016 / j.jmps.2016.03.014）

最近的实验和第一性原理计算显示了非晶硅(a-Si)的两步锂化。在第一步中，锂化通过在原始的a- si相和中间的LiηSi相之间的尖锐相边界的移动进行，直到a- si相完全消耗。然后在没有可见界面的情况下进入第二步，LiηSi相连续锂化为Li3.75Si相。这种独特的锂化特性被认为对锂离子电池中a-Si阳极的机械耐久性具有重要影响，然而，迄今为止对这种影响的机理理解仍然难以捉摸。在这里，我们通过化学-力学建模揭示了由于a-Si两步锂化过程中的弹性软化而产生的内在应力缓解机制。我们发现锂化引起的a-Si弹性软化导致了锂化第二阶段的有效应力缓解。这些机理发现首次定量预测了a-Si阳极的临界尺寸，在该尺寸以下，阳极不会受到锂化引起的断裂的影响，这与实验观察结果很好地吻合。对锂化动力学的进一步研究表明，两步锂化也导致了较低的应力诱导锂化能垒。本研究揭示了以前无法解释的a-Si阳极有利的锂化动力学和断裂行为的物理基础，从而为高性能锂离子电池阳极的定量设计指导提供了思路。