研究目的
研究锂离子电池硅电极初始锂化过程中的相变动力学及相界传播，并开发一种在受控条件下测量相界演化的非侵入式原位方法。
研究成果
这种结合皮秒超声与电化学池开发的非破坏性原位方法，成功以纳米级分辨率测量了锂化过程中晶体硅的相边界传播。关键发现包括：在40微安/平方厘米电流密度下相边界速度约为12皮米/秒，LixSi中平均x值为3.73，体积膨胀比为3.85，锂化层中的声速约为7.15纳米/皮秒。采用Deal-Grove模型估算反应速率系数为4.5×10??毫米?·秒?1·摩尔?1。该技术能精确控制电化学参数并实现实时监测，有助于深入理解电池材料的动力学过程。
研究不足
该技术对精细结构细节（如LixSi中锂浓度梯度）的灵敏度有限。锂化层中的声速未进行独立测量，计算时依赖文献值。固体电解质界面（SEI）形成导致的电荷损失采用近似值处理，未完全量化，可能影响准确性。该方法要求样品具有平面几何形态，可能不适用于复杂形状。
1：实验设计与方法选择：
本研究采用结合电化学池的皮秒超声技术（PU），实时无损测量锂化过程中晶体硅内相界传播。该技术利用超快激光脉冲产生和检测超声脉冲，实现精确厚度测量。
2：样品选择与数据来源：
使用(100)晶向、厚度约40-55微米的硅片。单面溅射沉积铝薄膜作为换能器，另一面微加工集流体。
3：实验设备与材料清单：
设备包括锁模钛宝石脉冲激光器（波长800纳米，脉宽100飞秒，重复频率80兆赫）、半波片、偏振分束器、电光调制器、反射镜、透镜、非偏振分束器、光电二极管、锁相放大器、位移台、数据采集卡及Autolab PGSTAT128N电化学工作站。材料包含硅片、铝膜、镍网集流体、锂金属电极、Celgard C2500隔膜、电解液（1.2M六氟磷酸锂/碳酸乙烯酯/碳酸二乙酯）、透明环氧树脂及定制聚醚醚酮（PEEK）电化学池。
4：2M六氟磷酸锂/碳酸乙烯酯/碳酸二乙酯）、透明环氧树脂及定制聚醚醚酮（PEEK）电化学池。 实验流程与操作步骤：
4. 实验流程与操作步骤：样品在受控锂通量下组装于电化学池。锂化过程分步进行：恒流至0.1V，0.1V保持1.5小时，随后40微安/平方厘米恒流锂化。每次锂化前后进行PU测量，通过激光脉冲产生、调制、延迟调节和信号检测测定回波到达时间。
5：1V，1V保持5小时，随后40微安/平方厘米恒流锂化。每次锂化前后进行PU测量，通过激光脉冲产生、调制、延迟调节和信号检测测定回波到达时间。 数据分析方法：
5. 数据分析方法：数据处理包括扣除多项式背景消除热效应、计算二阶导数消除振荡分量、分析回波到达时间确定相界位置与声速。采用Deal-Grove模型提取动力学参数。
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Potentiostat
PGSTAT128N
Autolab
Controls the electrochemical cycling of the cell, applying constant current and potential.
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Ti-Sapphire pulsed laser
Mode-locked
Generates ultra-fast laser pulses for pump and probe beams in picosecond ultrasonics.
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Electro-optic modulator
Modulates the intensity of the pump beam at 1 MHz for lock-in detection.
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Lock-in amplifier
Amplifies the modulated signal from the photodiode to improve signal-to-noise ratio.
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Translation stage
Controls the delay time of the probe beam by moving retroreflectors.
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Data acquisition card
Records the change in reflectivity as a function of probe delay time.
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Separator
C2500
Celgard
Placed between the sample and lithium electrode in the electrochemical cell.
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Epoxy
EPO-TEK302-3M
Epoxy Technology, Inc
Used to glue the sample to a fused silica substrate and as a protective layer.
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