Lithiation of electrodeposited silicon films

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Lithium-ion batteries with improved performance are increasingly in demand in various fields. Silicon-based materials are one of the most actively studied materials, because they allow increasing the discharge capacity of the anode. In this work, we continue studying the behavior of the thin-film silicon anodes inside the anode half-cell of a lithium-ion battery in the conditions of limited charge capacity to 1000 and 4000 mA·h/g. Samples of silicon films, electrodeposited from the molten KI-KF-KCl-K2SiF6 electrolyte with the temperature of 700°C on glassy carbon in the potentiostatic mode, were used as the objects of the research. It was noted that limiting the charge capacity makes it possible to increase the number of cycles maintaining a relatively high discharge capacity and to increase the operational life of the electrodeposited silicon films. Applying the C/10 cycling current and limiting the charge capacity to 4000 mA·h/g, the discharge capacity of the samples was 3850–3930 mA·h/g, and using the 2C cycling current it was up to 3000 mA·h/g.

About the authors

Anastasiya Maksimovna Leonova

Ural Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin

ORCID iD: 0000-0001-5900-7045
SPIN-code: 9554-8860
19 Mira street, 620002 Ekaterinburg, Russia

Nataliya Maksimovna Leonova

Ural Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin

ORCID iD: 0000-0003-1016-8977
SPIN-code: 3333-0912
19 Mira street, 620002 Ekaterinburg, Russia

Michael Vyacheslavovich Laptev

Institute of high-temperature Electrochemistry UB of RAS

ORCID iD: 0000-0003-3338-0057
SPIN-code: 7533-4825
Scopus Author ID: 57203958198
ResearcherId: Q-1701-2017
20, Akademicheskaya St., Yekaterinburg, 620990

Andrei Viktorovich Suzdal'tsev

Ural Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin; Institute of high-temperature Electrochemistry UB of RAS

ORCID iD: 0000-0003-3004-7611
SPIN-code: 1232-0532
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 литий ионных аккумуляторов // Электрохимическая энергетика. 2020. Т. 20, № 2. С. 68–72. https://doi.org/10.18500/1608-4039-2020-20-2-68-72
  2. 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
  3. 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
  4. Захарова Г. С., Фаттахова З. А., Трофимов А. А. Гидротермально-микроволновой синтез композита MnO/C в присутствии аскорбиновой кислоты // Журнал неорганической химии. 2024. Т. 69, № 12. С. 1785–1795. https://doi.org/10.31857/S0044457X24120116
  5. Братков И. В., Иванов А. Д., Колчин А. Д., Савицкий И. А. Получение композиционного анодного материала «сферический графит – SnO2» // Известия вузов. Химия и химическая технология. 2025, Т. 68, вып. 1. С. 55–62. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20256801.7099
  6. Zhang Y., Wei Zh., Batuk M., Hadermann J., Filatov A., Chang J., Han H., Abakumov A., Dikarev E. Lithium-rich, oxygen-deficient spinel obtained through low-temperature decomposition of heterometallic molecular precursor // Energy Materials. 2025. Vol. 5. Art. 500063. https://doi.org/10.20517/energymater.2024.213
  7. Galashev A. Y. Molecular dynamic study of the applicability of silicene lithium ion battery anodes: A review // Electrochemical Materials and Technologies. 2023. Vol. 2. Art. 20232012. https://doi.org/10.15826/elmattech.2023.2.012
  8. Zhang Zh., Wu Y., Mo Z., Lei X., Xie X., Xue X., Qin H., Jiang H. Research progress of silicon-based anode materials for lithium-ion batteries // RSC Advances. 2025. Vol. 15. Art. 10731. https://doi.org/10.1039/d5ra01268f
  9. 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
  10. 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, вып. 1. С. 41–50. https://doi.org/10.18500/1608-4039-2023-23-1-41-50, EDN: ZFLYPF
  11. Заворин А. В., Мосеенков С. И., Столярова С. Г., Окотруб А. В., Кузнецов В. Л. Использование композитов на основе МУНТ и Si в качестве анодного материала в литий-ионных аккумуляторах // Сибирский физический журнал. 2023. Т. 18, № 2. С. 66–75. https://doi.org/10.25205/2541-9447-2023-18-2-66-75
  12. 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
  13. 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
  14. 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. https://doi.org/10.18500/1608-4039-2024-24-3-150-160, EDN: ZPMQZQ
  15. Laptev M. V., Isakov A. V., Grishenkova O. V., Vorob’ev A. S., Khudorozhkova A. O., Akashev L. A., Zaikov Yu. P. Electrodeposition of thin silicon films from the KF–KCl–KI–K2SiF6 melt // Journal of the Electrochemical Society. 2020. Vol. 167. Art. 042506. https://doi.org/10.1149/1945–7111/ab7aec
  16. 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
  17. Domi Y., Usui H., Sakaguchi H. Analysis of the interfacial reaction between Si-based anodes and electrolytes in Li-ion batteries // Chemical Communications. 2024. Vol. 60. Art. 12986. https://doi.org/10.1039/d4cc04134h
  18. Liu B., Luo M., Wang Z., Passolano Ch., Shaw L. On the specific capacity and cycle stability of Si@void@C anodes: Effects of particle size and charge/discharge protocol // Batteries. 2022. Vol. 8. Art. 10. https://doi.org/10.3390/batteries8100154
  19. Lux S. F., Lucas I. T., Pollak E., Passerini S., Winter M., Kostecki R. The mechanism of HF formation in LiPF6 based organic carbonate electrolytes // Electrochemistry Communications. 2011. Vol. 14. P. 47– 50. https://doi.org/10.1016/j.elecom.2011.10.026

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).