Zn2SNO4電極での応力誘発亀裂によって媒介されるサイズ依存の電気化学パフォーマンス

微視的な構造特性を電極材料の巨視的な電気化学パフォーマンスと相関させることは、優れたパフォーマンスリチウムイオン電池を開発するために重要ですが、これはほとんど未踏のままです。ここでは、直径が小さい（D <5 nm）のZn2Sno4（ZTO）ナノワイヤ（NWS）が、数百のナノメートルから数百のナノメートルまでの直径が大きいNWと比較して、容量のフェードレートとより良いサイクリング安定性を示すことを示しています。in situ透過型電子顕微鏡（TEM）を適用することにより、亀裂挙動の強い相関関係をNW径と発見します。最初のリチオンには、〜80 nmの臨界直径が存在し、その下ではNWが亀裂も骨折もなく、亀裂が特定の平面に沿って容易に核形成して伝播し、より大きなサイズの電極で劣化したサイクリングの安定性をもたらします。有限要素モデルとクライミングイメージに基づくさらなる理論的計算は、弾性バンド法を忠実に予測しました。これは、軸方向の応力進化の相乗効果と最初のリチオン中の優先的なliイオン移動方向から生じる可能性があります。。この作業は、単一のZTO NWのテンポ空間構造進化のリアルタイム追跡を提供します。これは、サンプルサイズが電気化学的挙動にどのように影響するかについての基本的な理解を促進し、将来のバッテリー設計とアプリケーション戦略の参照を提供します。

Correlating the microscopic structural characteristics with the macroscopic electrochemical performance in electrode materials is critical for developing excellent-performance lithium-ion batteries, which however remains largely unexplored. Here, we show that the Zn2SnO4 (ZTO) nanowires (NWs) with smaller diameters (d < 5 nm) exhibit slower capacity fade rate and better cycling stability, as compared with the NWs with larger diameters ranging from tens to hundreds of nanometers. By applying in situ transmission electron microscopy (TEM), we discover a strong correlation of cracking behavior with the NW diameter. Upon the first lithiation, there exists a critical diameter of ∼80 nm, below which the NWs neither crack nor fracture, and above which the cracks could easily nucleate and propagate along the specific planes, resulting in the deteriorated cycling stability in larger sized electrodes. Further theoretical calculations based on the finite element model and the climbing image nudged elastic band method faithfully predict the size-dependent cracking behaviors, which may result from the synergistic effect of axial stress evolution as well as preferential Li-ion migration directions during the first lithiation. This work provides a real-time tracking of the tempo-spatial structural evolution of a single ZTO NW, which facilitates a fundamental understanding of how the sample size affects the electrochemical behavior and thus offers a reference for future battery design and application strategy.