C/SiC-based anodes for lithium-ion current source

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Compositions of ultrafine Si and C particles are promising anode materials for lithium-ion power sources with improved energy characteristics. In the work, samples of lithium-ion power sources with an anode made of ultrafine SiC fibers, as well as mixtures of SiC fibers with graphite (C/SiC) and electrolytically deposited submicron silicon fibers (C/Si/SiC) were fabricated and studied for energy characteristics. The working ability of the mixtures obtained during lithiation/delithiation was shown, and the main energy characteristics of the investigated anode half-cells were determined. After 100 cycles, the SiC anode reached a discharge capacity of 180 and 138 mA⋅h/g at a charge current of C/20 and C, respectively. Anodes made of mixtures (wt%) 29.5C-70.5SiC and 50Si-14.5C-35.5SiC show discharge capacities of 328 and 400 mA⋅h/g at a charge current of C/2. The Coulomb efficiency of all samples was above 99%.

About the authors

Nataliya Maksimovna Leonova

Ural Federal University

ORCID iD: 0000-0003-1016-8977
19 Mira street, 620002 Ekaterinburg, Russia

Anastasiya Maksimovna Leonova

Ural Federal University

ORCID iD: 0000-0001-5900-7045
19 Mira street, 620002 Ekaterinburg, Russia

Oleg Andreevich Bashirov

Ural Federal University

ORCID iD: 0000-0001-5509-8816
19 Mira street, 620002 Ekaterinburg, Russia

Aleksei Sergeevich Lebedev

Institute of Mineralogy – a division of the the South Urals Federal Research Center of Mineralogy and Geo-ecology of the Urals Branch of the Russian Academy of Sciences

ORCID iD: 0000-0002-6536-3684
Miass, Chelyabinsk district 456317, Russia

Aleksei Alekseevich Trofimov

Ural Federal University

ORCID iD: 0000-0003-1920-5869
19 Mira street, 620002 Ekaterinburg, Russia

Andrei Viktorovich Suzdal'tsev

Ural Federal University;

ORCID iD: 0000-0003-3004-7611
Scopus Author ID: 55218703800
ResearcherId: G-8015-2012
19 Mira street, 620002 Ekaterinburg, Russia

References

  1. 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
  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. Корнев П. В., Кулова Т. Л., Кузьмина А. А., Скундин А. М., Кошель Е. С., Климова В. М. Титанат лития, допированный неодимом, как анодный материал для литий-ионных аккумуляторов // Электрохимическая энергетика. 2022. Т. 22, № 3. С. 129–138. https://doi.org/10.18500/1608-4039-2022-22-3-129-138
  4. Bini M., Ambrosetti M., Spada D. ZnFe2O4, a green and high-capacity anode material for lithium-ion batteries: A review // Applied Science. 2021. Vol. 11. Article number 11713. https://doi.org/10.3390/app112411713
  5. 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.
  6. 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, № 4. P. 259–268. https://doi.org/10.15826/chimtech.2020.7.4.21
  7. Suzdaltsev A. Silicon electrodeposition for microelectronics and distributed energy: A mini-review // Electrochem. 2022. Vol. 3. P. 760–768. https://doi.org/10.3390/electrochem3040050
  8. Кулова Т. Л., Скундин А. М. Применение германия в литий-ионных и натрий-ионных аккумуляторах (Обзор) // Электрохимия. 2021. Т. 57, № 12. С. 709–742. https://doi.org/10.31857/S0424857021110050
  9. Chockla A. M., Klavetter K. C., Mullins C. B., Korgel B. A. Solution-grown germanium nanowire anodes for lithium-ion batteries // ACS Applied Materials & Interfaces. 2012. Vol. 4. P. 4658–4664. https://doi.org/10.1021/am3010253
  10. 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
  11. Опра Д. П., Гнеденков С. В., Синебрюхов С. Л., Соколов А. А., Подгорбунский А. Б., Курявый В. Г., Майоров В. Ю., Машталяр Д. В., Устинов А. Ю. Допированный ванадием диоксид титана со структурой бронз как анодный материал для литий-ионных аккумуляторов с улучшенными циклическими и мощностными характеристиками // Электрохимическая энергетика. 2020. Т. 20, № 1. С. 3–19. https://doi.org/10.18500/1608-4039-2020-20-1-3-19
  12. Яковлева Е. В., Яковлев А. В., Краснов В. В., Целуйкин В. Н., Мостовой А. С., Курамина Н. Ю., Брудник С. В. Электрохимическое наноструктурирование графита для применения в химических источниках тока // Электрохимическая энергетика. 2020. Т. 20, № 1. С. 45–54. https://doi.org/10.18500/1608-4039-2020-20-1-45-54
  13. Huang X. D., Zhang F., Gan X. F., Huang Q. A., Yang J. Z., Lai T., Tang W. M. Electrochemical characteristics of amorphous silicon carbide film as a lithium-ion battery anode // RSC Advance. 2018. Vol. 8. P. 5189–5169. https://doi.org/10.1039/C7RA12463E
  14. Sun X., Shao Ch., Zhang F., Li Y., Wu Q.-H., Yang Y. SiC nanofibers as long-life lithium-ion battery anode materials // Frontiers in Chemistry. 2018. Vol. 6. Article number 166. https://doi.org/10.3389/fchem.2018.00166
  15. Лебедев А. С., Суздальцев А. В., Фарленков А. С., Поротникова Н. М., Акашев Л. А., Вовкотруб Э. Г., Анфилогов В. Н. Карботермический синтез, свойства и структура SiC // Неорганические материалы. 2020. Т. 56, № 1. С. 22–29. https://doi.org/10.31857/S0002337X20010091
  16. Анфилогов В. Н., Лебедев А. С., Рыжков В. М., Блинов И. А. Карботермический синтез наноразмерного карбида кремния в автономной защитной атмосфере // Неорганические материалы. 2016. Т. 52, № 7. С. 712–717. https://doi.org/10.1134/S0020168516070025
  17. 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. https://doi.org/10.31857/S0235010621020031
  18. Trofimov A. A., Leonova A. M., Leonova N. M., Gevel T. A. Electrodeposition of silicon from molten KCl–K2SiF6 for lithium-ion batteries // Journal of the Electrochemical Society. 2022. Vol. 169. Article number 020537. https://doi.org/10.1149/1945-7111/ac4d6b
  19. Choi J.-H., Choi S., Cho J. S., Kim H.-K., Jeong S. M. Efficient synthesis of high areal capacity Si@graphite@SiC composite anode material via one-step electro-deoxidation // Journal of Alloys and Compounds. 2022. Vol. 896. Article number 163010. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.163010
  20. Abdurakhimova R. K., Laptev M. V., Leonova N. M., Leonova A. M., Schmygalev A. S., Suzdaltsev A. V. Electroreduction of silicon from the NaI–KI–K2SiF6 melt for lithium-ion power sources // Chimica Techno Acta. 2022. Vol. 9, № 4. Article number 20229424. https://doi.org/10.15826/chimtech.2022.9.4.24
  21. Gevel T., Zhuk S., Leonova N., Leonova A., Trofimov A., Suzdaltsev A., Zaikov Y. Electrochemical synthesis of nano-sized silicon from KCl–K2SiF6 melts for powerful lithium-ion batteries // Applied Science. 2021. Vol. 11. Article number 10927. https://doi.org/10.3390/app112210927
  22. Jiang Y., Offer G., Jiang J., Marinescu M., Wang H. Voltage hysteresis model for silicon electrodes for lithium ion batteries, including multi-step phase transformations, crystallization and amorphization // Journal of the Electrochemical Society. 2020. Vol. 167. Article number 130533. https://doi.org/10.1149/1945-7111/abbbba
  23. Galashev A. Y., Vorob’ev A. S. First principle modeling of a silicene anode for lithium ion batteries // Electrochimical Acta. 2021. Vol. 378. Article number 138143. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2021.138143

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

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».