ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЕ КРЕМНИЯ НА СЕРЕБРЕ 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 находит широкое применение в различных областях, включая микроэлектронику и использование в современных литий-ионных аккумуляторах повышенной мощности. Для последних требуется кремний в виде наноразмерных и субмикронных частиц, либо в виде тонких сплошных пленок. Полученные ранее результаты литирования электроосажденных кремниевых пленок на стеклоуглероде указывают на необходимость подбора подложки для кремниевых осадков. В качестве модельной подложки можно рассматривать серебряную подложку, с которой кремний не взаимодействует. В настоящей работе при помощи вольтамперных измерений изучена кинетика и механизм катодного процесса на серебряной подложке в легкоплавком расплаве LiCl-KCl-CsCl-K2SiF6 с температурой 550°C. В результате исследований показано, что исследуемый процесс протекает в две стадии, кинетику которых характеризуют катодные пики при потенциале около 0 В и при потенциале отрицательнее –0.15 В относительно потенциала кремниевого квазиэлектрода сравнения. На основании диагностических критериев показано, что исследуемый процесс является необратимым. Из вольтамперных зависимостей по уравнению для необратимого электрохимического процесса оценен коэффициент диффузии электроактивных ионов, который для второго пика составил 1.2·10-6 см2/с. На основании вольтамперных измерений подобраны параметры и проведено электроосаждение кремния на серебряные подложки в гальваностатическом, потенциостатическом и гальваноимпульсном режиме. В гальваностатическом режиме получены несплошные осадки, состоящие из сферолитных частиц диаметром до 500 нм. В потенциостатическом и гальваноимпульсном режиме получены объемные осадки, состоящие из частиц аналогичной формы, полностью покрывающих серебряную подложку, на которых затем происходит рост дендритов определенной геометрической формы. При помощи рентгенофазового и микрорентгеноспектрального анализа сделано подтверждение, что в кремниевом осадке отсутствуют фазы силицидов серебра, однако, на поверхности кремния присутствуют элементы, содержащиеся в электролите, а также небольшое количество кислорода. Полученные результаты необходимы для поиска условий получения осадков кремния в виде тонких пленок и в виде осадков с развитой поверхностью.

Об авторах

Ю. А. Парасотченко

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Екатеринбург, Россия

А. В. Суздальцев

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Email: a.v.suzdaltsev@urfu.ru
Екатеринбург, Россия

Список литературы

  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.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025

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».