Stationary and pulsed electrodeposition of silicon 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 and its materials are widely used in metallurgy, micro- and nano-electronics, solar energy, and are also promising materials for anodes of lithium-ion power sources with increased specific capacity. The expansion of application areas of silicon with controlled morphology necessitates the development of new energy–efficient methods of its production. In the present work, the influence of the mode as well as parameters of electrolysis of the LiCl–KCl–CsCl–K2SiF6 melt with a temperature of 545 оC on the morphology of electrolytic precipitation of silicon on glassy carbon has been studied. The galvanostatic mode of electrodeposition, widely used in industry, as well as the pulsed mode, which is actively investigated at present, were used for the electrolysis. Silicon electrodeposition was carried out by varying such parameters as cathodic current density (from 3 to 50 mA/cm2) and electrolysis duration (from 30 to 180 min) in the galvanostatic mode, as well as by varying the density and duration of the cathodic current pulse, the duration of current pauses and the total duration of electrolysis in the pulsed mode. It is shown that electrodeposition of silicon on glassy carbon is accompanied by the formation of a continuous sediments of hemispherical nuclei with a diameter of about 1 micron on the electrode surface. An increase in the cathodic current density and an increase in the cathodic current pulse pause frequency contribute to the disruption of the sediment continuity and the growth of dendrites of ordered or arbitrary shape. At the same time, the pulsed mode allows to increase the cathode current density at silicon electrodeposition (from 25–30 to 250–500 mA/cm2) and stabilize the value of the cathode potential during electrolysis.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Yu. A. Parasotchenko

Ural Federal University

Author for correspondence.
Email: ustinova.iulia@urfu.ru
Russian Federation, Yekaterinburg

A. V. Suzdaltsev

Ural Federal University

Email: ustinova.iulia@urfu.ru
Russian Federation, Yekaterinburg

Yu. P. Zaikov

Ural Federal University

Email: ustinova.iulia@urfu.ru
Russian Federation, Yekaterinburg

References

  1. Kulova T.L. New electrode materials for lithium-ion batteries (Review) // Rus. J. Electrochem. 2013. 49. Р. 1–25.
  2. Chemezov O.V., Isakov A.V., Apisarov A.P., Brezhestovsky M.S., Bushkova O.V., Batalov N.N., Zaikov Yu.P., Shashkin A.P. Elektroliticheskoye polucheniye nanovolokon kremniya iz rasplava KCl–KF–K2SiF6–SiO2 dlya kompozitsionnykh anodov litiy-ionnykh akkumulyatorov [Electrolytic production of silicon nanofibers from the KCl–KF–K2SiF6–SiO2 melt for composite anodes of lithium–ion batteries] // Electrochim. energetica 2013. 13. № 4. Р. 201–204. [In Russian].
  3. Suzdaltsev A.V., Gevel T.A., Parasotchenko Yu.A., Pavlenko O.B. Kratkiy obzor rezul’tatov ispol’zovaniya elektroosazhdennogo kremniya dlya ustroystv preobrazovaniya i nakopleniya energii [Brief review of the results of using electrodeposited silicon in energy conversion and storage devices] // Rasplavy. 2023. № 1. Р. 99–108. [In Russian].
  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. Zaikov Yu.P., Zhuk S.I., Isakov A.V., Grishenkova O.V., Isaev V.A. Elektroosazhdeniye kremniya iz rasplava KF–KCl–KI–K2SiF6 [Electrodeposition of silicon from the melt KF–KCl–KI–K2SiF6] // Rasplavy. 2016. № 5. Р. 441–454. [In Russian].
  7. Kuznetsova S.V., Dolmatov V.S., Kuznetsov S.A. Voltammetric study of electroreduction of silicon complexes in a chloride–fluoride melt // Rus. J. Electrochem. 2009. 45. P. 742–748.
  8. Zhuk S.I., Gevel T.A., Zaikov Yu.P. Vliyaniye materiala podlozhki na kinetiku i mekhanizm elektroosazhdeniya kremniya iz rasplava KCl–KF–K2SiF6 [Effect of the substrate material on kinetics and mechanism of silicon electrodeposition from the KCl–KF–K2SiF6 melt] // Rasplavy. 2023. № 4. Р. 354–364. [In Russian].
  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. Gevel T.A., Gorshkov L.V., Suzdaltsev A.V., Zaikov Yu.P. Vliyaniye materiala katoda na kinetiku elektrovosstanovleniya ionov kremniya v rasplave KCl–CsCl–K2SiF6 [Effect of the substrate material on the kinetics of silicon electroreduction in the KCl–CsCl–K2SiF6 melt] // Rasplavy. 2023. № 5. Р. 491–501. [In Russian].
  11. Nikolaev A.Yu., Mullabaev A.R., Suzdaltsev A.V., Kovrov V.A., Kholkina A.S., Shishkin V.Yu., Zaikov Yu.P. Ochistka khloridov shchelochnykh metallov metodom zonnoy perekristallizatsii dlya ispol’zovaniya v operatsiyakh pirokhimicheskoy pererabotki otrabotavshego yadernogo topliva [Purification of alkali-metal chlorides by zone recrystallization for the use in pyrochemical processing of spent nuclear fuel] // Atomnaya energiya. 2022. 131. № 4. Р. 195–201. [In Russian].
  12. Novoselova A.V., Smolenski V.V., Bovet A.L. Elektrokhimicheskiy sintez intermetallicheskikh soyedineniy U–Ga i U–Cd v rasplavlennoy evtektike LiCl–KCl–CsCl [Electrochemical synthesis of intermetallic U–Ga and U–Cd compounds in molten LiCl–KCl–CsCl eutectic] // Rasplavy. 2023. № 5. Р. 443–453. [In Russian].
  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. P. 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 // Russian Metallurgy. 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.–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. 7765–7770.
  21. Baraboshkin A.N. Elektrokristallizatsiya metallov iz rasplavlennykh soley [Electrocrystallization of metals from molten salts]. M.: Nauka. 1976. [In Russian].

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Change in the potential of glass–carbon electrodes during galvanostatic electrolysis of LiCl-KCl–CsCl–K2SiF6 melt.

Download (158KB)
3. Fig. 2. Micrographs of silicon samples obtained under galvanostatic electrolysis of LiCl–KCl–CsCl–K2SiF6 melt with a temperature of 545 ° C with varying cathode current density and duration of electrolysis.

Download (699KB)
4. Fig. 3. Micrographs of silicon samples 3, 5 and 8 obtained under galvanostatic electrolysis of LiCl–KCl–CsCl–K2SiF6 melt with a temperature of 545 ° C at different electrolysis durations: a 30 min at 25 mA/cm2; b 60 min at 25 mA/cm2; c 180 min at 50 mA/cm2cm2.

Download (224KB)
5. Fig. 4. Change in the potential of the glass-carbon electrode (sample No. 9 in Table. 2) during electrolysis of LiCl–KCl–CsCl–K2SiF6 melt in galvanopulse mode.

Download (91KB)
6. Fig. 5. Micrographs of silicon samples obtained under conditions of galvanoimpulse electrolysis of LiCl–KCl–CsCl–K2SiF6 melt with a temperature of 545 °C with varying electrodeposition parameters.

Download (718KB)
7. Fig. 6. Results of microrentgenospectral analysis of a sample of silicon sediment (sample 19 in Table. 2), obtained under conditions of galvanopulse electrolysis of a LiCl–KCl–CsCl–K2SiF6 melt with a temperature of 545 ° C.

Download (249KB)

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».