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