ELECTRODEPOSITION OF SILICON ON SILVER IN LiCl-KCl-CsCl-K2SiF6 MELT

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

Silicon is widely used in various fields, including microelectronics as well as in modern high-power lithium-ion batteries. The latter require silicon in the form of nanoscale and submicron particles, or in the form of thin continuous films. The previously obtained results of the casting of electrodeposited silicon films on glass carbon indicate the need to select a substrate for silicon precipitation. A silver substrate with which silicon does not interact can be considered as a model substrate. In this work, the kinetics and mechanism of the cathode process on a silver substrate in a low-melting LiCl-KCl-CsCl-K2SiF6 melt with a temperature of 550°C have been studied using voltage measurements. As a result of the research, it is shown that the process under study proceeds in two stages, the kinetics of which are characterized by cathode peaks at a potential of about 0 V and at a potential of less than −0.15 V relative to the potential of the silicon quasi-electrode of comparison. Based on diagnostic criteria, it is shown that the process under study is irreversible. From the voltage dependences according to the equation for an irreversible electrochemical process, the diffusion coefficient of electroactive ions was estimated, which for the second peak was 1.2·10-6 cm2/s. Based on voltage measurements, the parameters were selected and electrodeposition of silicon onto silver substrates was carried out in galvanostatic, potentiostatic and galvanopulse modes. Discontinuous precipitation consisting of spherical particles up to 500 nm in diameter was obtained in the galvanostatic mode. In the potentiostatic and galvanopulse modes, volumetric precipitation was obtained, consisting of the same particles completely covering the silver substrate, on which dendrites of a certain geometric shape then grew. X-ray phase and micro-X-ray spectral analysis confirmed that there are no silver silicide phases in the silicon precipitate, however, elements contained in the electrolyte, as well as a small amount of oxygen, are present on the silicon surface. The results obtained are necessary to find conditions for obtaining silicon precipitates in the form of thin films and in the form of sediments with a developed surface.

About the authors

Yu. A. Parasotchenko

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

Ekaterinburg, Russia

A. V. Suzdaltsev

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

Email: a.v.suzdaltsev@urfu.ru
Ekaterinburg, Russia

References

  1. Nohira T., Yasuda K., Ito Y. Pinpoint and bulk electrochemical reduction of insulating silicon dioxide to silicon // Nature Materials. 2003. 2. P. 397–401.
  2. Yasuda K., Nohira T., Ito Y. Effect of electrolysis potential on reduction of solid silicon dioxide in molten CaCl2 / Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2005. 66. P. 443–447.
  3. Yasuda K., Nohira T., Amezawa K., Ogata Y.H., Ito Y. Mechanism of direct electrolytic reduction of solid SiO2 to Si in molten CaCl2 // Journal of Electrochemical Society. 2005. 152. P. 69–74.
  4. Cai J., Luo X., Haarberg G.M., Kongstein O.E., Wang Sh. Electrorefining of metallurgical grade silicon in molten CaCl2 based salts // Journal of Electrochemical Society 2012. № 159. P. 155–158.
  5. Yang J., Lu S., Kan S., Zhang X., Du J.Electrochemical preparation of silicon nanowires from nanometre silica in molten calcium chloride // Chemical Communications. 2009. 22. P. 3273-3275.
  6. Dong Y., Slade T., Stolt M.J., Li L., Girard S., Mai L., Jin S. Low temperature molten salt production of silicon nanowires by electrochemical reduction of CaSiO3 // Angewandte Chemie International Edition. 2017. 56. P. 14453–14457.
  7. Cohen U., Huggins R.A. Silicon epitaxial growth by electrodeposition from molten fluorides // Journal of Electrochemical Society. 1976. 123. P. 381–383.
  8. Boen R., Bouteillon J. The electrodeposition of silicon in fluoride melts // Journal of Applied Electrochemistry. 1983. 13. P. 277–288.
  9. Haarberg G.M., Famiyeh L., Martinez A.M., Osen K.S. Electrodeposition of silicon from fluoride melts // Electrochimica Acta. 2013. 100. P. 226–228
  10. Bieber A.L., Massot L., Gibilaro M., Cassayre L., Taxil P., Chamelot P. Silicon electrodeposition in molten fluorides // Electrochimica Acta. 2012. 62. P. 282–289.
  11. Zhuk S.I., Isakov A.V., Apisarov A.P., Grishenkova O.V., Isaev V.A., Vovkotrub E.G., Zaykov Yu.P. Electrodeposition of continuous silicon coatings from the KF-KCl-K2SiF6 melts // Journal of The Electrochemical Society. 2017. 164. P. H5135–H5138.
  12. Moore J.T., Wang T.H., Heben M.J., Douglas K., Ciszek T.F. Fused-salt electrodeposition of thin-layer silicon // Conference Record of the Twenty Sixth IEEE Photovoltaic Specialists Conference. 1997. 1997. P. 775–778.
  13. Zou X.Y., Xie H.W., Zhai Y.C., Lang X.C., Zhang J. Electrolysis process for preparation of solar grade silicon // Advanced Materials Research. 2012. 391–392. P. 697–702.
  14. Hu Y., Wang X., Xiao J., Hou J., Jiao Sh., Zhu H. Electrochemical behavior of silicon (IV) ion in BaF2–CaF2–SiO2 melts at 1573 K // Journal of Electrochemical Society. 2013. 160. P. D81–D84.
  15. Kongstein O.E., Wollan C., Sultana S., Haarberg G.M. Electrorefining of silicon in molten calcium chloride // ECS Transactions. 2007. 3. P. 357–361.
  16. Zou X., Ji L., Yang X., Lim T., Yu E.T., Bard A.J. Electrochemical formation of a p–n junction on thin film silicon deposited in molten salt // Journal of the American Chemical Society. 2017. 139. P. 16060–16063.
  17. Ashuri M., He Q., Shaw L.L. Silicon as a potential anode material for Li-ion batteries: where size, geometry and structure matter // Nanoscale. 2016. 8. P. 74.
  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. 169. P. 020537.
  19. Salah M., Murphy P., Hall C., Francis C., Kerr R., Fabretto M. Pure silicon thin-film anodes for lithium-ion batteries: A review // Journal of Power Sources. 2019. 414. P. 48–67.
  20. Khan M., Yan S., Ali M., Mahmood F., Zheng Y., Li G., Liu J., Song X., Wang Y. Innovative solutions for high-performance silicon anodes in lithium-ion batteries: Overcoming challenges and real-world applications // Nano-Micro Letters. 2024. 16. P. 179.
  21. Леонова А.М., Леонова Н.М., Суздальцев А.В. Поведение электроосажденной пленки кремния на стеклоуглероде при литировании и делитировании // Электрохимическая энергетика. 2024. 24(3). P. 150–160.
  22. 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. P. 7765–7770.
  23. Pelton A.D. The Ag-Li (Silver-Lithium) System // Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 1986. 7(3). P. 223–228.
  24. Olesinski R.W., Gokhale A.B., Abbaschlan G.J. The Ag-Si (Silver-Silicon) system // Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 1989. 10. P. 635–640.
  25. Norikawa Y., Kondo A., Yasuda K., Nohira T. Electrodeposition of crystalline Si in molten alkali metal fluoride–chloride mixtures: Comparative study of Li, Na, K, and Cs systems // Electrochimica Acta. 2022. 434. P. 141255.
  26. Ryu H.Y., An Y.S., Jang B.Y., Lee J.S., Nersisyan H.H., Han M.H., Noh J.S., Lee J.H. Formation of high purity Si nanofiber from metallurgical grade Si by molten salt electrorefining // Materials Chemistry and Physics. 2012. 137. P. 160–168.
  27. Yasuda K., Maeda K., Hagiwara R., Homma T., Nohira T. Silicon electrodeposition in a water-soluble KF–KCl molten salt: Utilization of SiCl4 as Si source // Journal of The Electrochemical Society. 2017. 164. P. D67–D71.
  28. Sakanaka Y., Goto T. Electrodeposition of Si film on Ag substrate in molten LiF–NaF–KF directly dissolving SiO2 Electrochimica Acta. 2015. 164. P. 139–142.
  29. Maeda K., Yasuda K., Nohira T., Hagiwara R., Homma T. Silicon electrodeposition in water-soluble KF–KCl molten salt: Investigations on the reduction of Si (IV) ions // Journal of The Electrochemical Society. 2015. 162. P. D444–D448.
  30. Cho S.K., Fan F.F., Bard A.J. Formation of a silicon layer by electroreduction of SiO2 nanoparticles in CaCl2 molten salt // Electrochimica Acta. 2012. 65. P. 57–63.
  31. Parasotchenko Yu.A., Pavlenko O.B., Suzdaltsev A.V., Zaikov Yu.P. Study of the silicon electrochemical nucleation in LiCl-KCl-CsCl-K2SiF6 melt // Journal of the Electrochemical Society. 2023. 170. P. 022505.
  32. Kuznetsova S.V., Dolmatov V.S., Kuznetsov S.A. Voltammetric study of electroreduction of silicon complexes in a chloride-fluoride melt // Russian Journal of Electrochemistry. 2009. 45. P. 742–748.
  33. Pavlenko O.B., Ustinova Yu.A., Suzdaltsev A.V., Zaikov Yu.P. Effect of the substrate material and the parameters of silicon electrodeposition from the LiCl–KCl–CsCl–K2SiF6 melt on the morphology of the deposit // Russian Metallurgy (Metally). 2023. 2023(2). P. 235–243.
  34. Zaykov Yu.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 // Journal of Solid State Electrochemistry. 2015. 19. P. 1341–1345.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 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».