研究人员揭示硅纳米颗粒电极的降解过程促进锂离子电池发展

据国外媒体报道，最近发表在《物理化学杂志》( Journal of Physical Chemistry C)上的一项研究整合了原位和非原位扫描电子显微镜(SEM)和能量色散X射线光谱(EDX)方法，为锂离子电池充电/放电循环期间基于硅纳米颗粒的电极的降解过程提供了详细的见解。

硅基电极具有超强的理论电容，而硅材料易得且价格低廉，因此越来越受到人们的关注。而硅基电极由于明显的体积扩大/收缩和强电解质界面的大量增加，容量会迅速下降，循环寿命较短。了解硅纳米颗粒基阳极的降解过程，对于解决活性物质断裂、破碎或改善固体电解质界面具有重要意义。

为了研究硅纳米颗粒基电极的降解过程，使用扫描电子显微镜和能量色散X射线谱(EDX)进行死后调查是常用和有效的方法。非原位分析是指在适当的电池容量和健康状况下停止充电/放电循环，然后拆卸电池，并通过SEM和EDX分析干电极。与原位SEM不同，原位/原位(原位/操作Ando)研究是在不拆卸电池的情况下进行的。

在这项研究中，研究人员利用准原位SEM和EDX研究了纯硅纳米颗粒复合电极在充放电循环中的降解过程，包括破碎、不可逆体积变化和地板降解产物。

本次QUIS-SEM/EDX研究结合了原位和场外分析方法的优点，在受保护的环境中完成周期性场外同点评价，从而获得SEM照片，如同原位拍摄一样，可以准确了解过去的工艺流程。

在整个实验过程中，锂离子电池使用标准的天然碳酸盐基电解液，并且都工作在典型的工作环境中。为了确保受保护的准原位环境，以非破坏性方式从电池中取出主要基于硅纳米颗粒的电极，并保持在惰性气氛中。

结果表明，QUIS-扫描电镜/EDX方法可以对硅纳米颗粒电极表面同一区域多次成像，且光束退化最小，具有良好的空间精度。10次循环后，用QUIS法比较不同的放电速率。研究人员发现，当放电率降低时，主要是持续的体积膨胀；当放电率增加时，碎片结构占主导地位。

此外，对表面降解产物不断增长的分析表明，氟基降解产物是在导电添加剂上形成的，而不是硅纳米颗粒，这意味着导电添加剂是形成均质SEI和降解锂离子电池的必要因素。

总之，QUIS-扫描电镜/EDX方法可以消除成像/评价技术的潜在缺陷，从而了解硅纳米颗粒的降解效果。