Electrodeposition of lithium in the presence of surfactants

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

The aim of the work was to study the possibility of suppressing the formation of dendrites of metallic lithium during the operation of secondary lithium batteries, including those with a metallic lithium anode. The electrochemical deposition of lithium on copper and lithium substrates in the presence and absence of two surfactants, cetyltrimethylammonium bromide and hexadecylpyridinium bromide was studied by current transient and electrochemical impedance methods. A typical lithium-ion battery electrolyte based on lithium hexafluorophosphate and a mixture of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) was used. It was shown that the presence of the so-called SEI (solid electrolyte interphase) layer on the electrode surface has a significant effect on the electrodeposition process. It was also shown that the mechanism of lithium electrodeposition on copper and lithium substrates is different. It can be assumed that the observed effect of surfactants on the dendrite formation is associated not with the adsorption of surfactants on lithium and blocking the growth of deposits, but with the effect of surfactants on the properties of the SEI layer formed on these substrates.

Full Text

Restricted Access

About the authors

S. S. Alpatov

M. V. Lomonosov Moscow State University, Department of Chemistry

Email: osemenik@elch.chem.msu.ru
Russian Federation, Moscow

F. A. Vasiliev

M. V. Lomonosov Moscow State University, Department of Chemistry

Email: osemenik@elch.chem.msu.ru
Russian Federation, Moscow

V. Kh. Aleshina

D. I. Mendeleev Russian University of Chemical Technology

Email: osemenik@elch.chem.msu.ru
Russian Federation, Moscow

T. A. Vagramyan

D. I. Mendeleev Russian University of Chemical Technology

Email: osemenik@elch.chem.msu.ru
Russian Federation, Moscow

O. A. Semenikhin

M. V. Lomonosov Moscow State University, Department of Chemistry

Author for correspondence.
Email: osemenik@elch.chem.msu.ru
Russian Federation, Moscow

References

  1. Chen, S.R., Dai, F., and Cai, M., Opportunities and Challenges of High-Energy Lithium Metal Batteries for Electric Vehicle Applications, ACS Energy Lett., 2020, vol. 5, p. 3140.
  2. Liu, D.H., Bai, Z.Y., Li, M., Yu, A.P., Luo, D., Liu, W.W., Yang, L., Lu, J., Amine, K., and Chen, Z.W., Developing high safety Li-metal anodes for future high-energy Li-metal batteries: strategies and perspectives, Chem. Soc. Rev., 2020, vol. 49, p. 5407.
  3. Qin, K., Holguin, K., Mohammadiroudbari, M., Huang, J., Kim, E. Y. S., Hall, R., and Luo, C., Strategies in Structure and Electrolyte Design for High-Performance Lithium Metal Batteries, Adv. Funct. Mater., 2021, 31, p. 2009694.
  4. Besenhard, J.O., Gürtler, J., Komenda, P., and Paxinos, A., Corrosion protection of secondary lithium electrodes in organic electrolytes, J. Power Sources, 1987, vol. 20, p. 253.
  5. Dai, H.L., Xi, K., Liu, X., Lai, C., and Zhang, S.Q., Cationic Surfactant-Based Electrolyte Additives for Uniform Lithium Deposition via Lithiophobic Repulsion Mechanisms, J. Am. Chem. Soc., 2018, vol. 140, p. 17515.
  6. Scharifker, B. and Hills, G., Theoretical and experimental studies of multiple nucleation, Electrochim. Acta, vol. 28, p. 879.
  7. Scharifker, B.R., Mostany, J., Palomar‐Pardavé, M., and González, I., On the Theory of the Potentiostatic Current Transient for Diffusion‐Controlled Three‐Dimensional Electrocrystallization Processes, J. Electrochem. Soc., 1999, vol. 146, p. 1005.
  8. Heiskanen, S.K., Kim, J., and Lucht, B.L., Generation and Evolution of the Solid Electrolyte Interphase of Lithium-Ion Batteries, Joule, 2019, vol. 3, p. 2322.
  9. Wu, H., Jia, H., Wang, C., Zhang, J.-G., and Xu, W., Recent Progress in Understanding Solid Electrolyte Interphase on Lithium Metal Anodes, Adv. Energy Mater., 2021, vol. 11, p. 2003092.
  10. Fedorov, R. G., Maletti, S., Heubner, C., Michaelis, A., and Ein-Eli, Y., Molecular Engineering Approaches to Fabricate Artificial Solid-Electrolyte Interphases on Anodes for Li-Ion Batteries: A Critical Review, Adv. Energy Mater., 2021, vol. 11, p. 2101173.
  11. Kang, D.M., Xiao, M.Y., and Lemmon, J.P., Artificial Solid-Electrolyte Interphase for Lithium Metal Batteries, Batteries & Supercaps, 2021, vol. 4, p. 445.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Structural formulas of the surfactants used: (a) cetyltrimethylammonium bromide; (b) hexadecylpyridinium bromide.

Download (41KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Characteristic form of current density transients for lithium electrodeposition on electrodes made of (a) copper and (b) lithium. Potential –0.04 V (Cu) and –0.06 V (Li). Electrolyte without surfactant additives.

Download (101KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Typical impedance hodographs for lithium electrodeposition on electrodes made of (a) copper and (b) lithium. Curve 1 was measured before electrodeposition, 2 after electrodeposition, and 3 after anodic etching of the deposit. Potential –0.055 V (Cu) and –0.075 V (Li). Electrolyte without surfactant additives.

Download (151KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Evolution of current density transients as a function of potential for lithium electrodeposition on a copper electrode. (a) Electrolyte without surfactant additives; (b) with C₁₆Me₃Br additive; (c) with C₁₆PyBr additive. Potentials: (a) 1 – –0.03 V, 2 – –0.04 V, 3 – –0.05 V, 4 – –0.055 V, 5 – –0.065 V; (b) 1 – –0.03 V, 2 – –0.04 V, 3 – –0.05 V, 4 – –0.055 V, 5 – –0.07 V, 6 – –0.09 V; (in) 1 – –0.03 V, 2 – –0.04 V, 3 – –0.05 V, 4 – –0.09 V.

Download (193KB)
Indexing metadata
6. Rice. 5. Evolution of impedance hodographs for lithium electrodeposition on a copper electrode. Electrolyte without surfactant additives. Impedances were measured after electrodeposition at potentials: 1 – 0.03 V, 2 – 0.04 V, 3 – 0.055 V.

Download (71KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Evolution of current density transients as a function of potential for lithium electrodeposition on a lithium electrode. (a) Electrolyte without surfactant additives; (b) with C₁₆Me₃Br additive; (c) with C₁₆PyBr additive. Potentials: (a) 1 – –0.04 V, 2 – –0.06 V, 3 – –0.07 V, 4 – –0.085 V; (b) 1 – –0.04 V, 2 – –0.055 V, 3 – –0.06 V, 4 – –0.07 V; (c) 1 – –0.04 V, 2 – –0.05 V, 3 – –0.065 V, 4 – –0.07 V.

Download (196KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Evolution of the impedance hodographs for lithium electrodeposition on a lithium electrode. (a) Electrolyte without surfactant additives; (b) with C₁₆Me₃Br additive; (c) with C₁₆PyBr additive. Potentials: (a) 1 – –0.07 V, 2 – –0.075 V, 3 – –0.11 V; (b) 1 – –0.03 V, 2 – –0.035 V, 3 – –0.05 V, 4 – –0.06 V; (c) 1 – –0.06 V, 2 – –0.065 V, 3 – –0.07 V, 4 – –0.08 V. The impedances were measured after lithium electrodeposition. The inset in Fig. 7(b) shows an enlarged region of the beginning of the hodographs in the high-frequency region.

Download (278KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Comparison of current density transients for electrolytes without and with surfactant additives at (a) small overvoltages and (b) significant overvoltages. (1) Electrolyte without surfactant additives; (2) with C₁₆Me₃Br additive; (3) with C₁₆PyBr additive. Potentials: (1, a) –0.04 V, (1, b) –0.06 V, (2, a) –0.04 V, (2, b) –0.06 V, (3, a) –0.04 V, (3, b) –0.07 V.

Download (135KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 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».