Analysis of the electrochemical impedance spectra and the structure of the solid electrolyte interphase on electrodeposited metallic lithium using the distribution of relaxation times method

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The goal of this work was to confirm our earlier conclusion that the regularities observed during the electrodeposition of metallic lithium on copper and lithium electrodes can be associated with differences in the properties of the so-called solid electrolyte interphase (SEI), which is formed on these electrodes in contact with the electrolyte. To do this, we analyzed the electrochemical impedance spectra measured during the above processes by the method of distribution of relaxation times (DRT). It was shown that the addition of surfactants to the electrolyte such as cetyltrimethylammonium bromide and hexadecylpyridinium bromide lead to a significant change in the properties of the SEI layers and a noticeable increase in the values of the impedance components associated with the Faradaic processes on these electrodes, which indicates inhibition of the lithium electrodeposition processes and the related process of dendrite formation under these conditions. At the same time, no such impedance components were observed on the freshly formed deposit, which confirms our earlier conclusion that the effects of surfactants on dendrite formation are associated with the changes in the properties of SEI layers in the presence of surfactants rather than the surfactants adsorbing on lithium and blocking the dendrite growth.

Full Text

Restricted Access

About the authors

S. S. Alpatov

Lomonosov Moscow State University M. V. Lomonosov, Faculty of Chemistry

Email: osemenik@elch.chem.msu.ru
Russian Federation, Moscow

F. A. Vasiliev

Lomonosov Moscow State University M. V. Lomonosov, Faculty of Chemistry

Email: osemenik@elch.chem.msu.ru
Russian Federation, Moscow

V. Kh. Aleshina

Russian University of Chemical Technology DI. Mendeleev

Email: osemenik@elch.chem.msu.ru
Russian Federation, Moscow

T. A. Vagramyan

Russian University of Chemical Technology DI. Mendeleev

Email: osemenik@elch.chem.msu.ru
Russian Federation, Moscow

O. A. Semenikhin

Lomonosov Moscow State University M. V. Lomonosov, Faculty of Chemistry

Author for correspondence.
Email: osemenik@elch.chem.msu.ru
Russian Federation, Moscow

References

  1. Алпатов, С. С., Васильев, Ф. А., Алешина, В. Х., Ваграмян, Т. А., Семенихин, О. А. Электроосаждение лития в присутствии поверхностно-активных веществ. Электрохимия. 2024. Т. 60. № 5. С. 349.
  2. Тихонов, А. Н. О регуляризации некорректно поставленных задач. Докл. АН СССР. 1963. Т. 153. С. 49.
  3. Wan, T. H., Saccoccio, M., Chen, C., and Ciucci, F., Influence of the discretization methods on the distribution of relaxation times deconvolution: implementing radial basis functions with DRTtools, Electrochim. Acta, 2015, vol. 184, p. 483.
  4. Ciucci, F. and Chen, C., Analysis of electrochemical impedance spectroscopy data using the distribution of relaxation times: A Bayesian and hierarchical Bayesian approach, Electrochim. Acta, 2015, vol. 167, p. 439.
  5. Effat, M. B. and Ciucci, F., Bayesian and hierarchical Bayesian based regularization for deconvolving the distribution of relaxation times from electrochemical impedance spectroscopy data, Electrochim. Acta, 2017, vol. 247, p. 1117.
  6. GitHub repository. Ciuccislab. DRTtools. URL: https://github.com/ciuccislab/DRTtools (дата обращения 19.08.2023)
  7. Heiskanen, S.K., Kim, J., and Lucht, B.L., Generation and Evolution of the Solid Electrolyte Interphase of Lithium-Ion Batteries, Joule, 2019, vol. 3, p. 2322.
  8. Wu, H., Jia, H., Wang, C., Zhang, J.-G., and Xu, W., Recent Progress in Understanding Solid Electrolyte Interphase on Lithium Metal Anodes, Adv. Energy Mater., 2021, vol. 11, p. 2003092.
  9. Алексеева, Е. Ю., Сафонов, В. А., Петрий, О. А. Потенциалы нулевого заряда и строение двойного электрического слоя на платине и палладии в среде диметисульфоксида. Электрохимия. 1984. Т. 20. С. 945.
  10. Lonchakova, O.V., Semenikhin, O.A., Zakharkin, M.V., Sergeyev, V.G., and Antipov, E.V., Efficient gel-polymer electrolyte for sodium-ion batteries based on poly(acrylonitrile-co-methyl acrylate), Electrochim. Acta, 2020, vol. 334, p. 135512.
  11. Semenikhin, O.A., Ovsyannikova, E.V., Alpatova, N.M., and Rotenberg, Z.A., Dynamic impedance measurements on a thin-film poly-3-methylthiophene electrode: memory effects and space charge formation, J. Electroanal. Chem., 1996, vol. 408, p. 67.
  12. Semenikhin, O.A., Hossain, M.M.D., and Workentin, M.S., Photoelectrochemistry of Conducting Polymers Modified with Electron-Acceptor Moieties, J. Phys. Chem. B, 2006, vol. 110, p. 20189.
  13. Su, L., Charalambous, H., and Cui, Z., High-efficiency, anode-free lithium–metal batteries with a close-packed homogeneous lithium morphology, Energy Environ. Sci., 2022, vol. 15, p. 843.
  14. Tong, Z., Bazri, B., Hu, S.-F., and Liu, R.-S., Interfacial chemistry in anode-free batteries: challenges and strategies, J. Mater. Chem. A, 2021, vol. 9, p. 7396.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. (a) Typical electrochemical impedance hodographs measured on electrodeposited lithium metal deposited (curve 1) in the base electrolyte with the addition of hexadecylpyridinium bromide and (curve 2) in the base electrolyte without the addition of surfactant. The measurements were carried out at the open-circuit potential in the same electrolytes as the electrodeposition. The electrodeposition conditions were: (1) lithium electrode, potential of –0.07 V; (2) copper electrode, potential of –0.055 V. The lines represent the results of calculation using the model obtained by the relaxation time distribution method. The inset shows the equivalent circuit used in the analysis by the equivalent circuit method. (b) Relaxation time distribution obtained by analyzing the hodographs of Fig. 1a. The deposition was carried out (1) in the base electrolyte with the addition of hexadecylpyridinium bromide and (2) in the base electrolyte without the addition of surfactant. (c) Frequency dependences of the real (1', 2') and imaginary (1", 2") components of the impedance dependences of Fig. 1a. The lines represent the results of calculations using the model obtained by the relaxation time distribution method.

Download (307KB)
3. Fig. 2. Relaxation time spectra obtained by processing impedance data for lithium metal deposits electrodeposited on (a) copper and (b) lithium electrodes in the presence of hexadecylpyridinium bromide (curves 1) and cetyltrimethylammonium bromide (curves 2), as well as in the base electrolyte in the absence of surfactants (curves 3).

Download (178KB)
4. Fig. 3. Relaxation time spectra in the mid-frequency region corresponding to the impedance of the solid electrolyte interphase/SEI layers, obtained (a) in the base electrolyte without the addition of surfactant and (b) in the electrolyte with the addition of hexadecylpyridinium bromide. (1, 3) Spectra of (1) lithium and (3) copper electrode before electrodeposition; (2, 4) spectra of lithium metal deposits electrodeposited on (2) lithium and (4) copper electrodes.

Download (166KB)
5. Fig. 4. Evolution of the relaxation time spectra obtained by processing the impedance data for lithium electrodeposited at different potentials on a substrate of (a, b) lithium and (c) copper. Electrolyte (a) with the addition of cetyltrimethylammonium bromide; (b) with the addition of hexadecylpyridinium bromide; (c) without surfactant additives. Potentials: (a) 1 – -0.03 V, 2 – -0.035 V, 3 – -0.05 V, 4 – -0.06 V; (b) 1 – -0.065 V, 2 – -0.07 V, 3 – -0.08 V; (c) 1 – -0.03 V, 2 – -0.04 V, 3 – -0.055 V. Impedances are measured at open circuit potential after lithium electrodeposition.

Download (263KB)

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

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».