ISSN 1608-4039 (Print)
ISSN 1680-9505 (Online)

Для цитирования:

Леонова А. М., Леонова Н. М., Суздальцев А. В. ПОВЕДЕНИЕ ЭЛЕКТРООСАЖДЕННОЙ ПЛЕНКИ КРЕМНИЯ НА СТЕКЛОУГЛЕРОДЕ ПРИ ЛИТИРОВАНИИ И ДЕЛИТИРОВАНИИ // Электрохимическая энергетика. 2024. Т. 24, вып. 3. С. 150-160. DOI: 10.18500/1608-4039-2024-24-3-150-160, EDN: ZPMQZQ

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
скачать
(загрузок: 39)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Литиевые электрохимические системы
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
544.643
DOI: 
10.18500/1608-4039-2024-24-3-150-160
EDN: 
ZPMQZQ

ПОВЕДЕНИЕ ЭЛЕКТРООСАЖДЕННОЙ ПЛЕНКИ КРЕМНИЯ НА СТЕКЛОУГЛЕРОДЕ ПРИ ЛИТИРОВАНИИ И ДЕЛИТИРОВАНИИ

Авторы: 
Леонова Анастасия Максимовна, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина
Леонова Наталия Максимовна, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина
Суздальцев Андрей Викторович, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина
Аннотация: 

Кремний является одним из перспективных материалов анода литий-ионных источников тока с повышенными эксплуатационными характеристиками. Однако деградация кремния в ходе литирования/делитирования по-прежнему остается основной проблемой, которая не позволяет применять его в качестве электрода в коммерческих целях. В работе изучено поведение электроосажденной из расплава LiCl-KCl-CsCl-K2SiF6 на стеклоуглероде пленки кремния толщиной около 5-6 мкм при ее литировании и делитировании в составе анодного полуэлемента литий-ионного источника тока. Для этого были использованы методы циклирования в гальваностатическом режиме, электрохимического импеданса и сканирующей электронной микроскопии. Показана принципиальная возможность литирования/делитирования пленки и определены ее энергетические характеристики в ходе многократного циклирования. Однако в ходе 714 циклов заряда-разряда током 0.84 А/г разрядная емкость снизилась с 723 до 58 мА·ч/г. Отмечено, что причина деградации исследуемого образца заключается в отслоении пленки от подложки стеклоуглерода и ее растрескивание.

Ключевые слова: 
литий-ионный источник тока
электроосаждение
тонкопленочный кремниевый анод
литирование
морфология
Список источников: 
  1. Савина А. А., Боев А. О., Орлова Е. Д., Морозов А. В., Абакумов А. М. Никель – ключевой элемент энергетики будущего // Успехи химии. 2023. Т. 92, № 7. Номер статьи RCR5086. https://doi.org/10.59761/RCR5086
  2. Журавлев В. Д., Щеколдин С. И., Андрюшин С. Е., Шерстобитова Е. А., Нефедова К. В., Бушкова О. В. Электрохимические характеристики и фазовый состав литиймарганцевой шпинели с избытком лития Li1+xMn2O4 // Электрохимическая энергетика. 2020. Т. 20, № 3. С. 157–170. https://doi.org/10.18500/1608-4039-2020-20-3-157-170
  3. Саввина А. А., Карасева Е. В., Мочалов С. Э., Колосницын В. С. Влияние концентрации перхлората лития на числа переноса катиона лития в сульфолановых растворах // Электрохимическая энергетика. 2024. Т. 24, № 1. С. 28–37. https://doi.org/10.18500/1608-4039-2024-24-1-28-37
  4. Ли С. А., Рыжикова Е. В., Скундин А. М. Проблемы оптимизации соотношения активных масс в электродах литийионных аккумуляторов // Электрохимическая энергетика. 2020. Т. 20, № 2. С. 68–72. https://doi.org/10.18500/1608-4039-2020-20-2-68-72
  5. Абрамова Е. Н., Бобылева З. В., Дрожжин О. А., Абакумов А. М., Антипов Е. В. Неграфитизируемый углерод – анодный материал для металл-ионных аккумуляторов // Успехи химии. 2024. Т. 93, № 2. Номер статьи RCR5100. https://doi.org/10.59761/RCR5100
  6. Чемезов О. В., Исаков А. В., Аписаров А. П., Брежестовский М. С., Бушкова О. В., Баталов Н. Н., Зайков Ю. П., Шашкин А. П. Электролитическое получение нановолокон кремния из расплава KCl-KF-K2SiF6-SiO2 для композиционных анодов литий-ионных аккумуляторов // Электрохимическая энергетика. 2013. Т. 13, № 4. С. 201–204.
  7. Korchun A. V., Evshchik E. Yu., Baskakov S. A., Bushkova O. V., Dobrovolsky Y. A. Influence of a binder on the electrochemical behaviour of Si/RGO composite as negative electrode material for Li-ion batteries // Chimica Techno Acta. 2020. Vol. 7. P. 259– 268. https://doi.org/10.15826/chimtech.2020.7.4.21
  8. Суздальцев А. В., Гевел Т. А., Парасотченко Ю. А., Павленко О. Б. Краткий обзор результатов использования электроосажденного кремния для устройств преобразования и накопления энергии // Расплавы. 2023. № 1. C. 99–108. https://doi.org/10.31857/S0235010623010127
  9. Khan M., Yan S., Ali M., Mahmood F., Zheng Y., Li G., Liu J., Song X., Wang Y. Innovative solutions for high-performance silicon anodes in lithium-ion batteries: Overcoming challenges and realworld applications // Nano-Micro Lett. 2024. Vol. 16. Article number 179. https://doi.org/10.1007/s40820-024-01388-3
  10. Andersen H. F., Lie Foss C. E., Voje J., Tronstad R., Mokkelbost T., Vullum P. E., Ulvestad A., Kirkengen M., Mæhlen J. P. Silicon-carbon composite anodes from industrial battery grade silicon // Scientific Reports. 2019. Vol. 9. Article number 14814. https://doi.org/10.1038/s41598-019-51324-4
  11. Леонова Н. М., Леонова А. М., Баширов О. А., Лебедев А. С., Трофимов А. А., Суздальцев А. В. Аноды на основе С/SiC для литий-ионных источников тока // Электрохимическая энергетика. 2023. Т. 23, № 1. С. 41–50. https://doi.org/1608-4039-2023-23-1-41-50
  12. An W., Gao B., Mei Sh., Xiang B., Fu J., Wang L., Zhang Q., Chu P. K., Huo K. Scalable synthesis of ant-nest-like bulk porous silicon for high-performance lithium-ion battery anodes // Nature Communications. 2019. Vol. 10. Article number 1447. https://doi.org/10.1038/s41467-019-09510-5
  13. Fan Z., Wang Y., Zheng S., Xu K., Wu J., Chen S., Liang J., Shi A., Wang Zh. A submicron Si@C core-shell intertwined with carbon nanowires and graphene nanosheet as a high-performance anode material for lithium ion battery // Energy Storage Materials. 2021. Vol. 39. P. 1–10. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.04.005
  14. Vivegnis S., Baudhuin L.-C., Delhalle J., Mekhalif Z., Renner F. U. Electrodeposition of silicon films from organic solvents on nanoporous copper substrates // Journal of Applied Electrochemistry. 2023. Vol. 54. P. 77–88. https://doi.org/10.1007/s10800-023-01940-w
  15. Salah M., Murphy P., Hall C., Francis C., Kerr R., Fabretto M. Pure silicon thin-film anodes for lithium-ion batteries: A review // J. Power Sources. 2019. Vol. 414. P. 48–67. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.12.068
  16. Ilves V. G., Zuev M. B., Vasin A A., Korusenko P. M., Sokovnin S. Yu., Ulitko M. V., Gerasimov A. S. Properties of an amorphous crystalline nanopowder Si–SiO2 produced by pulsed electron beam evaporation // Materials Chemistry and Physics. 2024. Vol. 316. Article number 129026. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2024.129026
  17. Dian J., Macek A., Niznansky D., Nemec I., Vrkoslav V., Chvojka T., Jelinek I. SEM and HTEM study of porous silicon-relationship between fabrication, morphology and optical properties // Applied Surface Science. 2004. Vol. 238. P. 169–174. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2004.05.218
  18. El Omari G., El Kindoussy Kh., Aqil M., Mouad Dahbi M., Alami J., Makha M. Advances in physical vapor deposited silicon/carbon based anode materials for Li-ion batteries // Heliyon. 2024. Vol. 10. Article number e30431. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e30431
  19. Jiang S., Zhang Y., Fan J., Yao J., Luo L., Zhou Zh., Dong P., Xiao W. In situ constructed MgO parclose-concerted fabrication of silicon/carbon hybrids via a high-efficiency and expedited electrochemical process in molten salt // Chemical Engineering Journal. 2024. Vol. 484. Article number 149428. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.149428
  20. Link S., Dimitrova A., Krischok S., Ivanov S. Electrochemical deposition of silicon in organic electrolytes // Encyclopedia of Solid-Liquid Interfaces / K. Wandelt, G. Busetti, eds. Elsevier, 2024. P. 446–461. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-85669-0.00005-2
  21. Zou X., Ji L., Ge J., Sadoway D. R., Yu E. T., Bard A. J. Electrodeposition of crystalline silicon films from silicon dioxide for low-cost photovoltaic applications // Nature Communications. 2019. Vol. 10. Article number 5772. https://doi.org/10.1038/s41467-019-13065-m
  22. Yasuda K., Nohira T. Electrochemical production of silicon // High Temperature Materials and Processes. 2022. Vol. 41. P. 247–278. https://doi.org/10.1515/htmp-2022-0033
  23. Ustinova Y., Pavlenko O., Zhuk S., Suzdaltsev A., Zaikov Yu. Electrodeposition of silicon from the low-melting LiCl-KCl-CsCl-K2SiF6 electrolytes // Journal of the Electrochemical Society. 2022. Vol. 169. Article number 032506. https://doi.org/10.1149/1945-7111/ac5a1c
  24. Pavlenko O. B., Suzdaltsev A. V., Parasotchenko Yu. A., Zaikov Yu. P. Electrochemical synthesis and characterization of silicon thin films for energy conversion // Silicon. 2023. Vol. 15. P. 7765– 7770. https://doi.org/10.1007/s12633-023-02615-z
  25. Pan K., Zou F., Canova M., Zhu Y. Kim J.-H. Systematic electrochemical characterizations of Si and SiO anodes for high-capacity Li-ion batteries // J. Power Sources. 2019. Vol. 413. P. 20–28. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.12.010
  26. Sethuraman V. A., Srinivasan V., Newman J. Analysis of electrochemical lithiation and delithiation kinetics in silicon // Journal of the Electrochemical Society. 2013. Vol. 160. P. A394–A403. https://doi.org/10.1149/2.008303jes
  27. Kim J. S., Kim D. W., Jung H. T., Choi J. W. Controlled lithium dendrite growth by a synergistic effect of multilayered graphene coating and an electrolyte additive // Chemistry of Materials. 2015. Vol. 27. P. 2780–2787. https://doi.org/10.1021/cm503447u
Поступила в редакцию: 
18.07.2024
Принята к публикации: 
22.08.2024
Опубликована: 
30.09.2024