Электроосаждение волокон кремния из расплава KI–KF–KCl–K2SiF6 для литий-ионных источников тока

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Возможность использования анодов на основе кремния в литий-ионных источниках тока активно исследуется благодаря повышенной емкости кремния по литию. В работе сообщается о получении субмикронных волокон кремния на стеклоуглероде в расплаве KI–KF–KCl–K2SiF6 при температуре 720°С. Для этого методом циклической вольтамперометрии определены параметры электроосаждения кремния в виде волокон, в условиях гальваностатического электролиза получены экспериментальные партии упорядоченных волокон кремния средним диаметром от 0.1 до 0.3 мкм и с использованием полученных волокон кремния изготовлены анодные полуэлементы литий-ионных источников тока и изучено их электрохимическое поведение при многократном литировании и делитировании. При помощи вольтамперных исследований отмечено, что заряд и разряд анода на основе полученных волокон кремния происходит при потенциалах от 0.2 до 0.05 В и от 0.2 до 0.5 В, соответственно. Выполнено циклирование электроосажденных волокон кремния в составе анодных полуэлементов литий-ионных источников тока. В зависимости от тока заряда разрядная емкость составила от 200 до 500 мАч/г при Кулоновской эффективности 98–100%. Также выполнено многократное циклирование образца литий-ионного источника тока с литиевым противоэлектродом. В ходе 800 циклирований током 0.5С разрядная емкость образца снизилась с 165 до 65 мАч/г. При помощи сканирующей электронной микроскопии показано объемное расширение волокон кремния в ходе многократного циклирования.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. М. Леонова

Уральский федеральный университет

Email: a.v.suzdaltsev@urfu.ru
Россия, Екатеринбург

Н. М. Леонова

Уральский федеральный университет

Email: a.v.suzdaltsev@urfu.ru
Россия, Екатеринбург

Л. М. Минченко

Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН

Email: a.v.suzdaltsev@urfu.ru
Россия, Екатеринбург

А. В. Суздальцев

Уральский федеральный университет; Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: a.v.suzdaltsev@urfu.ru
Россия, Екатеринбург; Екатеринбург

Список литературы

  1. Ли С.А., Рыжикова Е.В., Скундин А.М. Проблемы оптимизации соотношения активных масс в электродах литийионных аккумуляторов // Электрохимическая энергетика. 2020. 20. № 2. С. 68–72.
  2. 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.
  3. 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. 13. № 4. С. 201–204.
  4. Кулова Т.Л. Новые электродные материалы для литий-ионных аккумуляторов (Обзор) // Электрохимия. 2013. 49. № 1. C. 1–25.
  5. 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. 20. № 3. С. 157–170.
  6. Gevel T., Zhuk S., Leonova N., Leonova A., Trofimov A., Suzdaltsev A., Zaikov Yu. Electrochemical synthesis of nano-sized silicon from KCl–K2SiF6 melts for powerful lithium-ion batteries // Applied Sciences. 2021. 11. 10927.
  7. Кайбичев А.В., Кайбичев И.А. Особенности очистки технического кремния при плавке в гелии с воздействием на расплав электрического поля на молибденовом и графитовом электроде // Расплавы. 2019. № 3. С. 258–264.
  8. Dian J., Macek A., Nižňanský D., Němec I., Vrkoslav V., Chvojka T., Jelínek I. SEM and HRTEM study of porous silicon – relationship between fabrication, morphology and optical properties // Applied Surface Science. 2004. 238. Р.169–174.
  9. Зайков Ю.П., Жук С.И., Исаков А.В., Гришенкова О.В., Исаев В.А. Электроосаждение кремния из расплава KF–KCl–KI–K2SiF6 // Расплавы. 2016. № 5. С. 441–454.
  10. Кузнецова С.В., Долматов B.C., Кузнецов С.А. Вольтамперометрическое исследование электровосстановления комплексов кремния в хлоридно-фторидном расплаве // Электрохимия. 2009. 45. С. 797–803.
  11. Гевел Т.А., Жук С.И., Устинова Ю.А., Суздальцев А.В., Зайков Ю.П. Электровыделение кремния из расплава KCl–K2SiF6 // Расплавы 2021. № 2. С.187–198.
  12. Yasuda K., Kato T., Norikawa Yu., Nohira T. Silicon electrodeposition in a water-soluble KF–KCl molten salt: Properties of Si films on graphite substrates // J. Electrochem. Soc. 2021. 168. 112502.
  13. Zaykov Y.P., Zhuk S.I., Isakov A.V., Grishenkova O.V., Isaev V.A. Electrochemical nucleation and growth of silicon in the KF–KCl–K2SiF6 melt // J. Solid State Electrochem. 2015. 19. Р. 1341–1345.
  14. Gevel T., Zhuk S., Suzdaltsev A.V., Zaikov Yu.P. Study into the possibility of silicon electrodeposition from a low-fluoride KCl–K2SiF6 melt // Ionics. 2022. 28. Р. 3537–3545.
  15. Dong Y., Slade T., Stolt M.J., Li L., Girard S.N., Mai L., Jin S. Low-temperature molten-salt production of silicon nanowires by the electrochemical reduction of CaSiO3 // Angew. Chem. 2017. 129. Р. 14645–14649.
  16. Juzeliunas E., Fray D.J. Silicon electrochemistry in molten salts. Chemical Reviews. 2020. 120. Р. 1690–1709.
  17. Laptev M.V., Isakov A.V., Grishenkova O.V., Vorob’ev A.S., Khudorozhkova A.O., Akashev L.A., Zaikov Y.P. Electrodeposition of thin silicon films from the KF–KCl–KI–K2SiF6 melt // J. Electrochem. Soc. 2020. 167. 042506,
  18. Laptev M.V., Khudorozhkova A.O., Isakov A.V., Grishenkova O.V., Zhuk S.I., Zaikov Y.P. Electrodeposition of aluminum-doped thin silicon films from a KF–KCl–KI–K2SiF6–AlF3 melt// J. Serb. Chem. Soc. 2021. 86. Р. 1075–1087.
  19. 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. 23. № 1. Р. 41–50.
  20. Casimir A., Zhang H., Ogoke O., Amine J., C., Lu J., Wu G. Silicon-based anodes for lithium-ion batteries: Effectiveness of materials synthesis and electrode preparation // Nano Energy. 2016. 21. Р. 359–376.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
2. Рис. 1. Типичная вольтамперограмма, полученная на стеклоуглероде в расплаве (мол. %) 75KI–16KF–8KCl–1K2SiF6 при температуре 720°С и скорости развертки потенциала 0.02 В/с.

Скачать (96KB)
3. Рис. 2. Микрофотографии осадков кремния, полученных при электролизе расплава KI–KF–KCl–K2SiF6 на стеклоуглероде при катодной плотности тока 0.05 А/см2 и температуре 720°С в течение 60 мин.

Скачать (208KB)
4. Рис. 3. Циклические вольтамперограммы (а) и зарядно-разрядные зависимости (б), характеризующие поведение анода на основе кремниевых волокон в первые 6 циклов литирования/делитирования.

Скачать (156KB)
5. Рис. 4. Изменение разрядной емкости и Кулоновской эффективности работы анода на основе кремниевых волокон при литировании/делитировании током 0.1С (а); разными токами заряда (б); при многократном литировании током 0.5С (в).

Скачать (280KB)
6. Рис. 5. Микрофотографии анодного материала кремния после литирирования.

Скачать (274KB)

© Российская академия наук, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».