In situ TEM electrochemistry of anode materials in lithium ion batteries

Energy and Environmental Science

Volumn 4, Issue 10, 2011, Pages 3844-3860

  Liu, Xiao Hua ^a   Huang, Jian Yu ^a  

^a SANDIA NATIONAL LABORATORIES   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

ADVANCED LITHIUM-ION BATTERIES; ANODE MATERIAL; ATOMIC SCALE; BACK-UP POWER; CARBON COATING; CRACK PROPAGATION ENERGY; CRITICAL PARTICLE SIZE; CRYSTALLOGRAPHIC ORIENTATIONS; DISCHARGING PROCESS; ELECTRICAL VEHICLES; ELECTROCHEMICAL BEHAVIOUR; ELECTROCHEMICAL LITHIATION; FLUCTUATION ENERGIES; FRACTURE BEHAVIOUR; HIGH DENSITY; IN-PLANE; IN-SITU TEM; INDUCED STRAIN; LARGE PARTICLES; LITHIATION; LITHIATION PROCESS; LITHIUM-ION BATTERY; MECHANICAL ENERGIES; MISFIT STRESS; MOBILE DISLOCATIONS; NANOBATTERIES; NECK REGION; RADIAL EXPANSIONS; RATE PERFORMANCE; REACTION FRONT; REAL TIME; ROOM TEMPERATURE; ROOM TEMPERATURE IONIC LIQUIDS; SI NANOPARTICLES; SI NANOWIRE; SI-PARTICLE; SINGLE NANOWIRES; SIZE DEPENDENT; SOLID COMPONENTS; SOLID-STATE AMORPHIZATION; TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPE; VOLUME EXPANSION;

ANODES; CHARGING (BATTERIES); CRACK PROPAGATION; CRACKS; ELECTRIC VEHICLES; ELECTROCHEMISTRY; ELECTROMAGNETIC INDUCTION; EXPANSION; IONIC LIQUIDS; IONS; LITHIUM; LITHIUM ALLOYS; LITHIUM BATTERIES; LITHIUM COMPOUNDS; NANOPARTICLES; NANOWIRES; SILICON; SOLAR ENERGY; SOLID ELECTROLYTES; STRESS CONCENTRATION; TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPY;

FRACTURE;

ABSORPTION; CARBON; COATING; CRYSTALLOGRAPHY; DIAMETER; ELECTRIC VEHICLE; ELECTROCHEMICAL METHOD; ELECTROCHEMISTRY; ELECTRODE; ELECTROLYTE; ENERGY RESOURCE; FLOODING; GEOMETRY; IN SITU MEASUREMENT; ION; LITHIUM; NUCLEATION; PLASTIC FLOW; SIZE; TEMPERATURE EFFECT; TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPY;

EID: 80053298772     PISSN: 17545692     EISSN: 17545706     Source Type: Journal    
DOI: 10.1039/c1ee01918j     Document Type: Review

References (129)

1. B. Kang G. Ceder Nature 2009 458 190 193
2. J. B. Goodenough Y. Kim Chem. Mater. 2010 22 587 603
3. J. T. Han Y. H. Huang J. B. Goodenough Chem. Mater. 2011 23 2027 2029
4. Y. Shao-Horn L. Croguennec C. Delmas E. C. Nelson M. A. O'Keefe Nat. Mater. 2003 2 464 467
5. S. Y. Chung J. T. Bloking Y. M. Chiang Nat. Mater. 2002 1 123 128
6. J. M. Tarascon M. Armand Nature 2001 414 359 367
7. L. Ji Z. Lin M. Alcoutlabi X. Zhang Energy Environ. Sci. 2011 4 2682 2699
8. F. F. Cao Y. G. Guo L. J. Wan Energy Environ. Sci. 2011 4 1634 1642
9. D. Deng M. G. Kim J. Y. Lee J. Cho Energy Environ. Sci. 2009 2 818 837
10. D. W. Liu G. Z. Cao Energy Environ. Sci. 2010 3 1218 1237
11. V. G. Pol M. M. Thackeray Energy Environ. Sci. 2011 4 1904 1912
12. Z. S. Hong X. Z. Zheng X. K. Ding L. L. Jiang M. D. Wei K. M. Wei Energy Environ. Sci. 2011 4 1886 1891
13. X. H. Liu Y. J. Lin S. Zhou S. Sheehan D. W. Wang Energies 2010 3 285 300
14. Y. Hamon T. Brousse F. Jousse P. Topart P. Buvat D. M. Schleich J. Power Sources 2001 97-98 185 187
15. Q. F. Li N. J. Bjerrum J. Power Sources 2002 110 1 10
16. S. C. Chao Y. C. Yen Y. F. Song Y. M. Chen H. C. Wu N. L. Wu Electrochem. Commun. 2010 12 234 237
17. L. Baggetto P. H. L. Notten J. Electrochem. Soc. 2009 156 A169 A175
18. L. Baggetto E. J. M. Hensen P. H. L. Notten Electrochim. Acta 2010 55 7074 7079
19. P. Limthongkul Y. I. Jang N. J. Dudney Y. M. Chiang Acta Mater. 2003 51 1103 1113
20. H. Li X. J. Huang L. Q. Chen G. W. Zhou Z. Zhang D. P. Yu Y. J. Mo N. Pei Solid State Ionics 2000 135 181 191
21. J. Li J. R. Dahn J. Electrochem. Soc. 2007 154 A156 A161
22. C. K. Chan H. L. Peng G. Liu K. McIlwrath X. F. Zhang R. A. Huggins Y. Cui Nat. Nanotechnol. 2008 3 31 35
23. J. R. Szczech S. Jin Energy Environ. Sci. 2011 4 56 72
24. D. Larcher S. Beattie M. Morcrette K. Edstroem J. C. Jumas J. M. Tarascon J. Mater. Chem. 2007 17 3759 3772
25. M. Arakawa S. Tobishima Y. Nemoto M. Ichimura J. Yamaki J. Power Sources 1993 43 27 35
26. M. Rosso C. Brissot A. Teyssot M. Dolle L. Sannier J. M. Tarascon R. Bouchetc S. Lascaud Electrochim. Acta 2006 51 5334 5340
27. D. Chen S. Indris M. Schulz B. Gamer R. Mönig J. Power Sources 2011 196 6382 6387
28. P. R. Raimann N. S. Hochgatterer C. Korepp K. C. Moller M. Winter H. Schrottner F. Hofer J. O. Besenhard Ionics 2006 12 253 255
29. F. Orsini A. Du Pasquier B. Beaudoin J. M. Tarascon M. Trentin N. Langenhuizen E. De Beer P. Notten J. Power Sources 1998 76 19 29
30. F. Orsini A. du Pasquier B. Beaudouin J. M. Tarascon M. Trentin N. Langenhuizen E. de Beer P. Notten J. Power Sources 1999 81 918 921
31. P. Baudry M. Armand M. Gauthier J. Masounave Solid State Ionics 1988 28 1567 1571
32. M. Dolle L. Sannier B. Beaudoin M. Trentin J. M. Tarascon Electrochem. Solid-State Lett. 2002 5 A286 A289
33. M. Balasubramanian X. Sun X. Q. Yang J. McBreen J. Power Sources 2001 92 1 8
34. X. Q. Yang J. McBreen W. S. Yoon C. P. Grey Electrochem. Commun. 2002 4 649 654
35. X. Q. Yang J. McBreen W. S. Yoon M. Yoshio H. Y. Wang K. Fukuda T. Umeno Electrochem. Commun. 2002 4 893 897
36. T. D. Hatchard J. R. Dahn J. Electrochem. Soc. 2004 151 A838 A842
37. X.-J. Wang H.-Y. Chen X. Yu L. Wu K.-W. Nam J. Bai H. Li X. Huang X.-Q. Yang Chem. Commun. 2011 47 7170 7172
38. J. R. Dahn R. R. Haering Solid State Commun. 1981 40 245 248
39. J. M. Tarascon A. S. Gozdz C. Schmutz F. Shokoohi P. C. Warren Solid State Ionics 1996 86-88 49 54
40. S. Patoux G. Rousse J.-B. Leriche C. Masquelier Chem. Mater. 2003 15 2084 2093
41. C. Baehtz T. Buhrmester N. N. Bramnik K. Nikolowski H. Ehrenberg Solid State Ionics 2005 176 1647 1652
42. J. B. Leriche S. Hamelet J. Shu M. Morcrette C. Masquelier G. Ouvrard M. Zerrouki P. Soudan S. Belin E. Elkaim F. Baudelet J. Electrochem. Soc. 2010 157 A606 A610
43. N. K. Karan D. P. Abraham M. Balasubramanian M. M. Furczon R. Thomas R. S. Katiyar J. Electrochem. Soc. 2009 156 A553 A562
44. I. Nakai T. Nakagome Electrochem. Solid-State Lett. 1998 1 259 261
45. O. Haas A. Deb E. J. Cairns A. Wokaun J. Electrochem. Soc. 2005 152 A191 A196
46. A. Deb U. Bergmann E. J. Cairns S. P. Cramer J. Synchrotron Radiat. 2004 11 497 504
47. F. Kong R. Kostecki G. Nadeau X. Song K. Zaghib K. Kinoshita F. McLarnon J. Power Sources 2001 97-98 58 66
48. L. J. Hardwick P. W. Ruch M. Hahn W. Scheifele R. Kotz P. Novak J. Phys. Chem. Solids 2008 69 1232 1237
49. J. T. Li J. C. Fang H. Su S. G. Sun Progr. Chem. 2011 23 349 356
50. A. Wuersig W. Scheifele P. Novak J. Electrochem. Soc. 2007 154 A449 A454
51. G. Gachot P. Ribiere D. Mathiron S. Grugeon M. Armand J. B. Leriche S. Pilard S. Laruelle Anal. Chem. 2011 83 478 485
52. T. Doi L. Zhao M. Zhou S. Okada J. Yamaki J. Power Sources 2008 185 1380 1385
53. S. H. Lee J. M. Jung J. H. Ok C. H. Park J. Power Sources 2010 195 5049 5051
54. I. Watanabe J. Yamaki J. Power Sources 2006 153 402 404
55. L. W. Zhao I. Watanabe T. Doi S. Okada J. Yamaki J. Power Sources 2006 161 1275 1280
56. A. R. Armstrong M. Holzapfel P. Novak C. S. Johnson S. H. Kang M. M. Thackeray P. G. Bruce J. Am. Chem. Soc. 2006 128 8694 8698
57. R. Bhattacharyya B. Key H. L. Chen A. S. Best A. F. Hollenkamp C. P. Grey Nat. Mater. 2010 9 504 510
58. B. Key R. Bhattacharyya M. Morcrette V. Seznec J. M. Tarascon C. P. Grey J. Am. Chem. Soc. 2009 131 9239 9249
59. M. Letellier F. Chevallier C. Clinard E. Frackowiak J.-N. Rouzaud F. Beguin M. Morcrette J.-M. Tarascon J. Chem. Phys. 2003 118 6038 6045
60. B. Key M. Morcrette J. M. Tarascon C. P. Grey J. Am. Chem. Soc. 2011 133 503 512
61. N. Balke S. Jesse A. N. Morozovska E. Eliseev D. W. Chung Y. Kim L. Adamczyk R. E. Garcia N. Dudney S. V. Kalinin Nat. Nanotechnol. 2010 5 749 754
62. Y. Tian A. Timmons J. R. Dahn J. Electrochem. Soc. 2009 156 A187 A191
63. M. Inaba Y. Kawatate A. Funabiki S. K. Jeong T. Abe Z. Ogumi Electrochim. Acta 1999 45 99 105
64. M. Inaba T. Doi Y. Iriyama T. Abe Z. Ogumi J. Power Sources 1999 81 554 557
65. R. Sharma, P. A. Crozier and M. M. J. Treacy, NSF Workshop Report on Dynamic In situ Electron Microscopy as a Tool to Meet the Challenges of the Nanoworld, Tempe, 2006
66. C. H. Jin K. Suenaga S. Iijima Nat. Nanotechnol. 2008 3 17 21
67. D. S. Shih I. M. Robertson H. K. Birnbaum Acta Metall. 1988 36 111 124
68. M. Legros M. Cabie D. S. Gianola Microsc. Res. Tech. 2009 72 270 283
69. M. L. Taheri T. Lagrange B. W. Reed M. R. Armstrong G. H. Campbell W. J. DeHope J. S. Kim W. E. King D. J. Masiel N. D. Browning Microsc. Res. Tech. 2009 72 122 130
70. R. Sharma Microsc. Res. Tech. 2009 72 144 152
71. S. Kodambaka J. Tersoff M. C. Reuter F. M. Ross Science 2007 316 729 732
72. J. B. Hannon S. Kodambaka F. M. Ross R. M. Tromp Nature 2006 440 69 71
73. Z. W. Shan R. K. Mishra S. A. S. Asif O. L. Warren A. M. Minor Nat. Mater. 2008 7 115 119
74. H. Zheng A. J. Cao C. R. Weinberger J. Y. Huang K. Du J. B. Wang Y. Y. Ma Y. N. Xia S. X. Mao Nat. Prod. Commun. 2010 1 144
75. Y. Lu J. Y. Huang C. Wang S. H. Sun J. Lou Nat. Nanotechnol. 2010 5 218 224
76. J. Y. Huang S. Chen Z. Q. Wang K. Kempa Y. M. Wang S. H. Jo G. Chen M. S. Dresselhaus Z. F. Ren Nature 2006 439 281
77. J. Y. Huang S. Chen S. H. Jo Z. Wang D. X. Han G. Chen M. S. Dresselhaus Z. F. Ren Phys. Rev. Lett. 2005 94 236802
78. X. H. Liu J. Zhu C. H. Jin L. M. Peng D. M. Tang H. M. Cheng Nanotechnology 2008 19 085711
79. J. Y. Huang L. Zhong C. M. Wang J. P. Sullivan W. Xu L. Q. Zhang S. X. Mao N. S. Hudak X. H. Liu A. Subramanian H. Y. Fan L. Qi A. Kushima J. Li Science 2010 330 1515 1520
80. X. H. Liu L. Q. Zhang L. Zhong Y. Liu H. Zheng J. W. Wang J.-H. Cho S. A. Dayeh S. T. Picraux J. P. Sullivan S. X. Mao Z. Z. Ye J. Y. Huang Nano Lett. 2011 11 2251 2258
81. X. H. Liu H. Zheng L. Zhong S. Huang K. Karki L. Q. Zhang Y. Liu A. Kushima W. T. Liang J. W. Wang J.-H. Cho E. Epstein S. T. Picraux T. Zhu J. Li J. P. Sullivan J. Cumings C. Wang S. X. Mao Z. Z. Ye S. Zhang J. Y. Huang Nano Lett. 2011 10.1021/nl201684d
82. X. H. Liu L. Zhong L. Q. Zhang A. Kushima S. X. Mao J. Li Z. Z. Ye J. P. Sullivan J. Y. Huang Appl. Phys. Lett. 2011 98 183107
83. L. Q. Zhang X. H. Liu Y. Liu S. Huang T. Zhu L. Gui S. X. Mao Z. Z. Ye C. M. Wang J. P. Sullivan J. Y. Huang ACS Nano 2011 5 4800 4809
84. L. Zhong X. H. Liu C. M. Wang G. F. Wang S. X. Mao J. Y. Huang Phys. Rev. Lett. 2011 106 248302
85. X. H. Liu, L. Zhong, S. Huang, S. X. Mao, T. Zhu and J. Y. Huang, 2011, submitted
86. C.-M. Wang W. Xu J. Liu J.-G. Zhang L. V. Saraf B. W. Arey D. Choi Z.-G. Yang J. Xiao S. Thevuthasan D. R. Baer Nano Lett. 2011 11 1874 1880
87. C. M. Wang W. Xu J. Liu D. W. Choi B. Arey L. V. Saraf J. G. Zhang Z. G. Yang S. Thevuthasan D. R. Baer N. Salmon J. Mater. Res. 2010 25 1541 1547
88. X. H. Liu, H. Zheng, L. Zhong, S. Huang, K. Karki, L. Q. Zhang, Y. Liu, A. Kushima, W. T. Liang, J. W. Wang, J.-H. Cho, E. Epstein, S. T. Picraux, T. Zhu, J. Li, J. P. Sullivan, J. Cumings, C. Wang, S. X. Mao, S. Zhang and J. Y. Huang, Anisotropic Volume Expansion and Ultrafast Lithiation of Si Nanowires Revealed by In-situ Transmission Electron Microscopy, Annapolis, Maryland, May 31-June 2, 2011
89. N. de Jonge D. B. Peckys G. J. Kremers D. W. Piston Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2009 106 2159 2164
90. J. P. Sullivan, J. Huang, M. J. Shaw, A. Subramanian, N. Hudak, Y. Zhan and J. Lou, Energy Harvesting and Storage: Materials, Devices, and Applications, 2010, p. 7683
91. H. M. Zheng R. K. Smith Y. W. Jun C. Kisielowski U. Dahmen A. P. Alivisatos Science 2009 324 1309 1312
92. M. J. Williamson R. M. Tromp P. M. Vereecken R. Hull F. M. Ross Nat. Mater. 2003 2 532 536
93. A. Brazier L. Dupont L. Dantras-Laffont N. Kuwata J. Kawamura J. M. Tarascon Chem. Mater. 2008 20 2352 2359
94. K. Yamamoto Y. Iriyama T. Asaka T. Hirayama H. Fujita C. A. J. Fisher K. Nonaka Y. Sugita Z. Ogumi Angew. Chem., Int. Ed. 2010 49 4414 4417
95. D. R. MacFarlane P. Meakin J. Sun N. Amini M. Forsyth J. Phys. Chem. B 1999 103 4164 4170
96. M. Galinski A. Lewandowski I. Stepniak Electrochim. Acta 2006 51 5567 5580
97. Sciencelab Website, http://www.sciencelab.com/msdsList.php, accessed May 23, 2011
98. K. Svensson Y. Jompol H. Olin E. Olsson Rev. Sci. Instrum. 2003 74 4945 4947
99. M. M. Islam T. Bredow C. Minot J. Phys. Chem. B 2006 110 9413 9420
100. D. R. Liu D. B. Williams Philos. Mag. B 1986 53 L123 L128
101. P. Vajda F. Beuneu Phys. Rev. B: Condens. Matter 1996 53 5335 5340
102. N. H. Zhao L. C. Yang P. Zhang G. J. Wang B. Wang B. D. Yao Y. P. Wu Mater. Lett. 2010 64 972 975
103. H. Qiao Z. Zheng L. Z. Zhang L. F. Xiao J. Mater. Sci. 2008 43 2778 2784
104. U. Kasavajjula C. S. Wang A. J. Appleby J. Power Sources 2007 163 1003 1039
105. P. Limthongkul Y. I. Jang N. J. Dudney Y. M. Chiang J. Power Sources 2003 119 604 609
106. R. Nesper H. G. Vonschnering J. Solid State Chem. 1987 70 48 57
107. M. N. Obrovac L. Christensen Electrochem. Solid-State Lett. 2004 7 A93 A96
108. M. N. Obrovac L. J. Krause J. Electrochem. Soc. 2007 154 A103 A108
109. L. Y. Beaulieu K. W. Eberman R. L. Turner L. J. Krause J. R. Dahn Electrochem. Solid-State Lett. 2001 4 A137 A140
110. Z. H. Chen L. Christensen J. R. Dahn Electrochem. Commun. 2003 5 919 923
111. N. Ravet A. Abouimrane M. Armand Nat. Mater. 2003 2 702
112. R. Huang X. Fan W. C. Shen J. Zhu Appl. Phys. Lett. 2009 95 133119
113. T. Ishihara M. Nakasu M. Yoshio H. Nishiguchi Y. Takita J. Power Sources 2005 146 161 165
114. M. H. Kong, D. J. Byun and J. K. Lee, in Advanced Materials and Processing, ed., Y. W. Chang, N. J. Kim, and, C. S. Lee, 2007, vol. 26-28, pp. 333-336
115. L. F. Cui Y. Yang C. M. Hsu Y. Cui Nano Lett. 2009 9 3370 3374
116. S. H. Ng J. Z. Wang D. Wexler K. Konstantinov Z. P. Guo H. K. Liu Angew. Chem., Int. Ed. 2006 45 6896 6899
117. S. Zhou X. H. Liu D. W. Wang Nano Lett. 2010 10 860 863
118. K. S. Park J. G. Kang Y. J. Choi S. Lee D. W. Kim J. G. Park Energy Environ. Sci. 2011 4 1796 1801
119. A. Magasinski P. Dixon B. Hertzberg A. Kvit J. Ayala G. Yushin Nat. Mater. 2010 9 461
120. L. Baggetto R. A. H. Niessen F. Roozeboom P. H. L. Notten Adv. Funct. Mater. 2008 18 1057 1066
121. X. X. Ji X. T. Huang J. P. Liu J. Jiang X. Li R. M. Ding Y. Y. Hu F. Wu Q. Li Nanoscale Res. Lett. 2010 5 649 653
122. S. Tobishima Y. Sakurai J. Yamaki J. Power Sources 1997 68 455 458
123. H. Seidel L. Csepregi A. Heuberger H. Baumgartel J. Electrochem. Soc. 1990 137 3612 3626
124. B. Q. Wu A. Kumar S. Pamarthy J. Appl. Phys. 2010 108 051101
125. J. L. Goldman B. R. Long A. A. Gewirth R. G. Nuzzo Adv. Funct. Mater. 2011 21 2412 2422
126. S. W. Lee M. T. McDowell J. W. Choi Y. Cui Nano Lett. 2011 11 3034 3039
127. K. J. Zhao M. Pharr J. J. Vlassak Z. G. Suo J. Appl. Phys. 2011 109 016110
128. K. Zhao W. L. Wang J. Gregoire M. Pharr Z. Suo J. Vlassak E. Kaxiras Nano Lett. 2011 11 2962 2967
129. A. S. Arico P. Bruce B. Scrosati J. M. Tarascon W. Van Schalkwijk Nat. Mater. 2005 4 366 377