Electrodeposition of ordered silicon fibers from the KI–KF–KCl–K2SiF6 melt for lithium-ion power sources

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Ашық рұқсат Ашық рұқсат
Рұқсат жабық Рұқсат берілді
Рұқсат жабық Тек жазылушылар үшін

Аннотация

The possibility of using silicon-based anodes in lithium-ion power sources is actively investigated due to the increased lithium capacitance of silicon. This work reports the preparation of submicron silicon fibers on glassy carbon in KI–KF–KCl–K2SiF6 melt at 720°C. For this purpose, the parameters of silicon electrodeposition in the form of fibers were determined by cyclic voltammetry, experimental batches of ordered silicon fibers with an average diameter from 0.1 to 0.3 μm were obtained under galvanostatic electrolysis conditions, and using the obtained silicon fibers, anode half-cells of lithium-ion current sources were fabricated and their electrochemical behavior and behavior under multiple lithiation and delithiation were studied. By means of voltammetric studies, it is observed that charging and discharging of the anode based on the obtained silicon fibers occurs at potentials from 0.2 to 0.05 V and from 0.2 to 0.5 V, respectively. Cycling of electrodeposited silicon fibers in anode half-cells of lithium-ion power source was carried out. Depending on the charge current, the discharge capacity ranged from 200 to 500 mAh/g at Coulomb efficiency of 98–100 %. Also, multiple cycling of the sample of lithium-ion power source with a lithium counter electrode was performed. In the course of 800 cycling with current 0.5C, the discharge capacity of the sample decreased from 165 to 65 mAh/g. Scanning electron microscopy shows the volumetric expansion of the of silicon fibers during cycling.

Толық мәтін

Рұқсат жабық

Авторлар туралы

А. Leonova

Ural Federal University

Email: a.v.suzdaltsev@urfu.ru
Ресей, Yekaterinburg

N. Leonova

Ural Federal University

Email: a.v.suzdaltsev@urfu.ru
Ресей, Yekaterinburg

L. Minchenko

Ural Federal University

Email: a.v.suzdaltsev@urfu.ru
Ресей, Yekaterinburg

А. Suzdaltsev

Уральский федеральный университет; Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: a.v.suzdaltsev@urfu.ru
Ресей, Екатеринбург; Екатеринбург

Әдебиет тізімі

  1. Li S.A., Ryzhikova Ye.V., Skundin A.M. Problemy optimizatsii sootnosheniya aktivnykh mass v elektrodakh litiyionnykh akkumulyatorov [Problems of optimizing the ratio of active masses in the electrodes of lithium-ion batteries] // Elektrokhimicheskaya energetika 2020. 20. № 2. Р. 68–72. [In Russian].
  2. Suzdal’tsev A.V., Gevel T.A., Parasotchenko Yu.A., Pavlenko O.B. Kratkiy obzor rezul’tatov ispol’zovaniya elektroosazhdennogo kremniya dlya ustroystv preobrazovaniya i nakopleniya energii [Brief review of the results of using electrodeposited silicon for energy conversion and storage devices] // Rasplavy. 2023. № 1. P. 99–108. [In Russian].
  3. Chemezov O.V., Isakov A.V., Apisarov A.P., Brezhestovskiy M.S., Bushkova O.V., Batalov N.N., Zaykov Yu.P., Shashkin A.P. Elektroliticheskoye polucheniye nanovolokon kremniya iz rasplava KCl–KF–K2SiF6–SiO2 dlya kompozitsionnykh anodov litiy-ionnykh akkumulyatorov [Electrolytic production of silicon nanofibers from KCl–KF–K2SiF6–SiO2 melt for composite anodes of lithium-ion batteries] // Elektrokhimicheskaya energetika. 2013. 13. № 4. P. 201–204. [In Russian].
  4. Kulova T.L. Novyye elektrodnyye materialy dlya litiy-ionnykh akkumulyatorov (Obzor) [New electrode materials for lithium-ion batteries (Review)] // Elektrokhimiya. 2013. 49. № 1. P. 1–25. [In Russian].
  5. Zhuravlev V.D., Shchekoldin S.I., Andryushin S.Ye., Sherstobitova Ye.A., Nefedova K.V., Bushkova O.V. Elektrokhimicheskiye kharakteristiki i fazovyy sostav litiymargantsevoy shpineli s izbytkom litiya Li1+xMn2O4 [Electrochemical characteristics and phase composition of lithium-manganese spinel with excess lithium Li1+xMn2O4] // Elektrokhimicheskaya energetika. 2020. 20. № 3. P. 157–170. [In Russian].
  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. Kaybichev A.V., Kaybichev I.A. Osobennosti ochistki tekhnicheskogo kremniya pri plavke v gelii s vozdeystviyem na rasplav elektricheskogo polya na molibdenovom i grafitovom elektrode [Peculiarities of Purification of Technical Silicon during Melting in Helium with the Effect of an Electric Field on the Melt on a Molybdenum and Graphite Electrode] // Rasplavy. 2019. № 3. P. 258–264. [In Russian].
  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. Zaykov Yu.P., Zhuk S.I., Isakov A.V., Grishenkova O.V., Isayev V.A. Elektroosazhdeniye kremniya iz rasplava KF–KCl–KI–K2SiF6 [Electrodeposition of silicon from KF–KCl–KI–K2SiF6 melt] // Rasplavy. 2016. № 5. P. 441–454. [In Russian].
  10. Kuznetsova S.V., Dolmatov B.C., Kuznetsov S.A. Vol’tamperometricheskoye issledovaniye elektrovosstanovleniya kompleksov kremniya v khloridno-ftoridnom rasplave [Voltammetric study of the electroreduction of silicon complexes in a chloride-fluoride melt] // Elektrokhimiya 2009. 45. P. 797–803. [In Russian].
  11. Gevel T.A., Zhuk S.I., Ustinova Yu.A., Suzdal’tsev A.V., Zaykov Yu.P. Elektrovydeleniye kremniya iz rasplava KCl–K2SiF6 [Electrolysis of silicon from KCl–K2SiF6 melt] // Rasplavy. 2021. № 2. P. 187–198. [In Russian].
  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. Leonova N.M., Leonova A.M., Bashirov O.A., Lebedev A.S., Trofimov A.A., Suzdal’tsev A.V. Anody na osnove S/SiC dlya litiy-ionnykh istochnikov toka [Anodes based on C/SiC for lithium-ion power sources] // Elektrokhimicheskaya energetika 2023. 23. № 1. P. 41–50. [In Russian].
  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.

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
2. Fig. 1. Typical voltammogram obtained on glassy carbon in the melt (mol.%) 75KI–16KF–8KCl–1K2SiF6 at a temperature of 720°C and a potential scan rate of 0.02 V/s.

Жүктеу (96KB)
3. Fig. 2. Micrographs of silicon deposits obtained by electrolysis of KI–KF–KCl–K2SiF6 melt on glassy carbon at a cathode current density of 0.05 A/cm2 and a temperature of 720°C for 60 min.

Жүктеу (208KB)
4. Fig. 3. Cyclic voltammograms (a) and charge-discharge dependences (b) characterizing the behavior of the anode based on silicon fibers in the first 6 lithiation/delithiation cycles.

Жүктеу (156KB)
5. Fig. 4. Change in discharge capacity and Coulomb efficiency of the anode based on silicon fibers during lithiation/delithiation with a current of 0.1 C (a); different charging currents (b); during multiple lithiation with a current of 0.5 C (c).

Жүктеу (280KB)
6. Fig. 5. Micrographs of the silicon anode material after lithiation.

Жүктеу (274KB)

© Russian Academy of Sciences, 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».