Стационарное и импульсное электроосаждение кремния в расплаве LiCl–KCl–CsCl–K2SiF6

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Кремний и материалы на его основе находят все большее применение в металлургии, микро- и нано-электронике, солнечной энергетике, а также выступают перспективными материалами анодов литий-ионных источников тока с повышенной удельной емкостью. Расширение областей применения кремния с управляемой морфологией обуславливает необходимость разработки новых энергоэффективных способов его получения. В настоящей работе изучено влияние режима и параметров электролиза легкоплавкого расплава LiCl–KCl–CsCl–K2SiF6 с температурой 545 оС на морфологию электролитических осадков кремния на стеклоуглероде. Для электролиза использованы широко используемый в промышленности гальваностатический режим электроосаждения, а также активно исследуемый в настоящее время гальваноимпульсный режим. Электроосаждение кремния вели при варьировании таких параметров, как величина катодной плотности тока (от 3 до 50 мА/см2) и длительность электролиза (от 30 до 180 мин) в гальваностатическом режиме, плотность и длительность импульса катодного тока, длительность пауз тока и общая длительность электролиза в гальваноимпульсном режиме. Показано, что электроосаждение кремния на стеклоуглероде сопровождается формированием на поверхности электрода сплошного осадка из сферолитных зародышей диаметром около 1 мкм. Нарушению сплошности осадка и росту дендритов упорядоченной либо произвольной формы способствует повышение катодной плотности тока и частоты пауз импульса катодного тока. При этом гальваноимпульсный режим позволяет на порядок повысить катодную плотность тока электроосаждения кремния (с 25–30 до 250–500 мА/см2) и стабилизировать значение потенциала катода при электролизе.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Ю. А. Парасотченко

Уральский федеральный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: ustinova.iulia@urfu.ru
Россия, Екатеринбург

А. В. Суздальцев

Уральский федеральный университет

Email: ustinova.iulia@urfu.ru
Россия, Екатеринбург

Ю. П. Зайков

Уральский федеральный университет

Email: ustinova.iulia@urfu.ru
Россия, Екатеринбург

Список литературы

  1. Кулова Т.Л. Новые электродные материалы для литий-ионных аккумуляторов (Обзор) // Электрохимия. 2013. 49. № 1. С. 1–25.
  2. 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.
  3. 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. С. 99–108.
  4. Cohen U. Some prospective applications of silicon electrodeposition from molten fluorides to solar cell fabrication // J. Electron. Mater. 1977. 6. Р. 607–643.
  5. Boen R., Bouteillon J. The electrodeposition of silicon in fluoride melts // J. Appl. Electrochem. 1983. 13. 277.
  6. 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.
  7. Кузнецова С.В., Долматов B.C., Кузнецов С.А. Вольтамперометрическое исследование электровосстановления комплексов кремния в хлоридно-фторидном расплаве // Электрохимия 2009. 45. С. 797–803.
  8. Жук С.И., Гевел Т.А., Зайков Ю.П. Влияние материала подложки на кинетику и механизм электроосаждения кремния из расплава KCl–KF–K2SiF6 // Расплавы. 2021. № 4. С. 354–364.
  9. 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.
  10. Гевел Т.А., Горшков Л.В., Суздальцев А.В., Зайков Ю.П. Влияние материала катода на кинетику электровосстановления ионов кремния в расплаве KCl–CsCl–K2SiF6 // Расплавы. 2023. № 5. С. 491–501.
  11. Николаев А.Ю., Муллабаев А.Р., Суздальцев А.В., Ковров В.А., Холкина А.С., Шишкин В.Ю., Зайков Ю.П. Очистка хлоридов щелочных металлов методом зонной перекристаллизации для использования в операциях пирохимической переработки отработавшего ядерного топлива // Атомная энергия 2021. 131. № 4. С. 199–205.
  12. Новоселова А.В., Смоленский В.В., Бове А.Л. Электрохимический синтез интерметаллических соединений U–Ga и U–Cd в расплавленной эвтектике LiCl–KCl–CsCl // Расплавы. 2023. № 5. С. 443–453.
  13. Xu X., Zhuo W., Zhang X., Zhu Ch., Wang Ch., Ding Y., Guo Sh., Zhou W., Wang Y. Investigation of electrochemical characteristics and nucleation mechanism of cerium influenced by F− in LiCl–KCl–CsCl melts // J. Mol. Liquids 2024. 400. 124582.
  14. Liu Y., Liu Y., Wang L., Jiang Sh., Wang D., Liu Z., Li M., Shi W. Electrochemical behaviors and extraction of Ln(III) (Ln = La, Ce, Nd) ions in LiCl–KCl–CsCl eutectic salts at low temperatures // ACS Sust. Chem. Eng. 2023. 11. Р. 8161–8172.
  15. Pavlenko O.B., Ustinova Yu.A., Zhuk S.I., Suzdaltsev A.V., Zaikov Yu.P. Silicon electrodeposition from low-melting LiCl–KCl–CsCl melts // Rus. Met. (Metally). 2022. № 8. Р. 818–824.
  16. Parasotchenko Yu., Pavlenko O., Suzdaltsev A., Zaikov Yu. Study of the silicon electrochemical nucleation in LiCl–KCl–CsCl–K2SiF6 melt // J. Electrochem. Soc. 2023. 170. 022505.
  17. Wei R., Huang Zh., Wei T., Wang Zh., Jiao Sh., Review—Preparation of hafnium metal by electrolysis // J. Electrochem. Soc. 2024. 171. 022501.
  18. Trofimova T.S., Ostanina T.N., Rudoi V.M., Mazurina E.A. The dynamics of the nickel foam formation and its effect on the catalytic properties toward hydrogen evolution reaction // Int. J. Hydrogen Energy 2023. 48. 22389.
  19. Sugisaki M., Matsushima H., Ueda M., Kawamura M. Formation of porous gold electrodeposits by pulse technique in AlCl3–NaCl–KCl molten salt containing AuCl // Electrochemistry. 2023. 92. 043005.
  20. Pavlenko O.B., Suzdaltsev A.V., Parasotchenko Yu.A., Zaikov Yu.P. Electrochemical synthesis and characterization of silicon thin films for energy conversion // Silicon 2023. 15. Р. 7765–7770.
  21. Барабошкин А.Н. Электрокристаллизация металлов из расплавленных солей. М.: Наука. 1976.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Изменение потенциала стеклоуглеродных электродов в ходе гальваностатического электролиза расплава LiCl–KCl–CsCl–K2SiF6.

Скачать (158KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Микрофотографии образцов кремния, полученных в условиях гальваностатического электролиза расплава LiCl–KCl–CsCl–K2SiF6 с температурой 545 оС при варьировании катодной плотности тока и длительности электролиза.

Скачать (699KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Микрофотографии образцов кремния 3, 5 и 8, полученных в условиях гальваностатического электролиза расплава LiCl–KCl–CsCl–K2SiF6 с температурой 545 оС при разной длительности электролиза: а 30 мин при 25 мА/см2; б 60 мин при 25 мА/см2; в 180 мин при 50 мА/см2.

Скачать (224KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Изменение потенциала стеклоуглеродного электрода (образец № 9 в табл. 2) в ходе электролиза расплава LiCl–KCl–CsCl–K2SiF6 в гальваноимпульсном режиме.

Скачать (91KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Микрофотографии образцов кремния, полученных в условиях гальваноимпульсного электролиза расплава LiCl–KCl–CsCl–K2SiF6 с температурой 545 оС при варьировании параметров электроосаждения.

Скачать (718KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Результаты микрорентгеноспектрального анализ образца осадка кремния (образец 19 в табл. 2), полученного в условиях гальваноимпульсного электролиза расплава LiCl–KCl–CsCl–K2SiF6 с температурой 545 оС.

Скачать (249KB)
Метаданные

© 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».