Влияние температуры и полисульфидов лития на состав катодных осадков лития, образующихся на стальном электроде

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Разработанным нами ранее методом изучено влияние полисульфидов лития на количество и соотношение электрохимически активного металлического лития, электрохимически неактивного металлического лития и химически связанного лития в составе катодных осадков, образующихся на стальном электроде в процессе гальваностатического циклирования в 1М растворе LiClO4 в сульфолане при 15, 30, 45 и 60°С. Показано, что увеличение температуры приводит к увеличению кулоновской эффективности циклирования и количества электрохимически активного металлического лития и уменьшению количества электрохимически неактивного металлического лития независимо от наличия полисульфидов лития в электролитном растворе. При добавлении полисульфидов лития в электролит наблюдается увеличение кулоновской эффективности циклирования металлического лития и изменение соотношения различных форм лития в катодных осадках в сторону увеличения электрохимически активного лития примерно в 1.5 раза. Предположено, что полисульфиды лития способствуют растворению электрохимически неактивного металлического лития, формируя на поверхности электрода межфазную “сульфидную” пленку с высокой ионной проводимостью и хорошими защитными свойствами, особенно при повышенных температурах.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Е. В. Карасева

Уфимский Институт химии Уфимского федерального исследовательского центра РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: karaseva@anrb.ru
Россия, Уфа

С. Э. Мочалов

Уфимский Институт химии Уфимского федерального исследовательского центра РАН

Email: karaseva@anrb.ru
Россия, Уфа

В. С. Колосницын

Уфимский Институт химии Уфимского федерального исследовательского центра РАН

Email: karaseva@anrb.ru
Россия, Уфа

Список литературы

  1. Lin, D., Liu, Y., and Cui, Y., Reviving the lithium metal anode for high-energy batteries, Nature Nanotech., 2017, vol. 12, no. 3, p. 194. https://doi.org/10.1038/nnano.2017.16
  2. Liu, B., Zhang, J.-G., and Xu, W., Advancing Lithium Metal Batteries, Joule, 2018, vol. 2, no. 5, p. 833. https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.03.008
  3. Luo, Y., Guo, L., Xiao, M., Wang, S., Ren, S., Han, D., and Meng, Y., Strategies for inhibiting anode dendrite growth in lithium–sulfur batteries, J. Mater. Chem. A, 2020, vol. 8, p. 4629. https://doi.org/110.1039/c9ta12910c
  4. Mauger, A., Armand, M., Julien, C.M., and Zaghib, K., Challenges and issues facing lithium metal for solid-state rechargeable batteries, J. Power Sources, 2017, vol. 353, p. 333. http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2017.04.018
  5. Hou, L.-P., Zhang, X.-Q., Li, B.-Q., and Zhang, Q., Cycling a Lithium Metal Anode at 90°C in a Liquid Electrolyte, Angew. Chem. Int. Ed., 2020, vol. 59, no. 35, p. 15109. https://doi.org/10.1002/anie.202002711
  6. Li, Z., Huang, J., Liaw, B.Y., Metzler, V., and Zhang, J., A review of lithium deposition in lithium-ion and lithium metal secondary batteries, J. Power Sources, 2014, vol. 254, p. 168. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.12.099
  7. Guo, Y., Li, D., Xiong, R., and Li, H., Investigation of the temperature-dependent behaviours of Li metal anode, Chem. Commun., 2019, vol. 55, p. 9773. https://doi.org/10.1039/c9cc04897a
  8. Zhang, J., Khan, A., Liu, X., Lei, Y., Du, S., Lv, L., Zhao, H., and Luo, D., Research Progress of Anode-Free Lithium Metal Batteries, Crystals, 2022, vol. 12, no. 9, p. 1241. https://doi.org/10.3390/cryst12091241
  9. Qian, J., Adams, B. D., Zheng, J., Xu, W., Henderson, W. A., Wang, J., Bowden, M. E., Xu, S., Hu, J., and Zhang, J.-G., Anode-Free Rechargeable Lithium Metal Batteries, Adv. Funct. Mater., 2016, vol. 26, p. 7094. https://doi.org/10.1002/adfm.201602353
  10. Mogi, R., Inaba, M., Iriyama, Y., Abe, T., and Ogumi, Z., In Situ Atomic Force Microscopy Study on Lithium Deposition on Nickel Substrates at Elevated Temperatures, J. Electrochem. Soc., 2002, vol. 149, no. 4, p. A385. https://doi.org/10.1149/1.1454138
  11. Mogi, R., Inaba, M., Iriyama, Y., Abe, T., and Ogumi, Z., Surface film formation on nickel electrodes in propylene carbonate solution at elevated temperatures, J. Power Sources, 2002, vol. 108, no. 1–2, p. 163. https://doi.org/10.1016/S0378-7753(02)00031-9
  12. Aurbach, D. and Gottlieb, H., The electrochemical behavior of selected polar aprotic systems, Electrochim. Acta, 1989, vol. 34, no. 2, p. 141. https://doi.org/110.1016/0013-4686(89)87079-3
  13. Иванов, А.Л., Мочалов, С.Э., Карасева, Е.В., Колосницын, В.С. Влияние природы растворителя на состав катодных осадков, образующихся на стальном электроде при электроосаждении и растворении металлического лития. Электрохимия. 2022. Т. 58. С. 569. [Ivanov, A.L., Mochalov, S.E., Karaseva, E.V., and Kolosnitsyn, V.S., Effect of the Solvent Nature on the Composition of Cathodic Deposits Formed on a Steel Electrode during Electrodeposition and Dissolution of Lithium Metal, Russ. J. Electrochem., 2022, vol. 58, p. 798.] https://doi.org/110.1134/S1023193522090087
  14. Колосницын, В.С., Кузьмина, Е.В., Шеина, Л.В., Карасева, Е.В., Яковлева, А.А. Определение содержания сульфидной серы в растворах полисульфидов лития в апротонных растворителях методом кислотно-основного титрования. Изв. вузов. Сер. “Химия и хим. технология”. 2012. Т. 55. № 3. С. 22. [Kolosnitsyn, V.S., Kuzmina, E.V., Sheina, L.V., Karaseva, E.V., and Yakovleva, A.A., Determination of the content of sulfide sulfur in solutions of lithium polysulfides in aprotic solvents by the acid-base method titration, Izvestiya Vuzov. Ser. “Chemistry and Chemical Technology”. 2012, vol. 55, no. 3, p. 22.]
  15. Vincent, C.A. and Scrosati, B. Modern Batteries: An introduction to electrochemical power sources. Second edition, Oxford: Butterworth-Heinemann, 1997. 351 p.
  16. Osaka, T., Homma, T., Momma, T., and Yarimizu, H., In situ observation of lithium deposition processes in solid polymer and gel electrolytes, J. Electroanal. Chem., 1997, vol. 421, no. 1-2, p. 153. https://doi.org/10.1016/S0022-0728(96)04870-X
  17. Tang, M., Albertus, P., and Newman, J., Two-Dimensional Modeling of Lithium Deposition during Cell Charging, J. Electrochem. Soc., 2009, vol. 156, no. 5, p. A390. https://doi.org/10.1149/1.3095513
  18. Колосницын, В.С., Карасева, Е.В., Шакирова, Н.В. Особенности циклирования литиевого электрода в электролитных системах, содержащих полисульфиды лития. Сборник материалов VI Междунар. конф. “Фундаментальные проблемы электрохимической энергетики”. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2005. С. 446. [Kolosnitsyn, V.S., Karaseva, E.V., and Shakirova, N.V., Features of Lithium Electrode Cycling in Electrolytes Containing Lithium Polysulfides, Collection of materials VI Intern. conf. “Fundamental problems of electrochemical energy” (in Russian), Saratov: Saratov University Press. 2005. P. 446.]
  19. Колосницын, В.С., Карасева, Е.В., Иванов, А.Л. Электрохимия литиевого электрода в растворах полисульфидов лития. Электрохимия. 2008. Т. 44. С. 609. [Kolosnitsyn, V.S., Karaseva, E.V., and Ivanov, A.L., Electrochemistry of a Lithium Electrode in Lithium Polysulfide Solutions, Russ. J. Electrochem., 2008, vol. 44, p. 564.] https://doi.org/110.1134/S1023193508050091
  20. Kuzmina, E., Karaseva, E., Ivanov, A., and Kolosnitsyn, V., On the Factors Affecting Aging and Self-Discharge of Lithium–Sulfur Cells. Effect of Positive Electrode Composition, Energy Technol., 2019, article no. 1900134. https://doi.org/110.1002/ente.201900134
  21. Rauch, R.D., Abraham, K.M., Pearson, G.F., Surprenant, J.K., and Brummer, S.B., A Lithium/Dissolved Sulfur Battery with an Organic Electrolyte, J. Electrochem. Soc., 1979, vol. 126, no. 4, p. 523. https://doi.org/110.1149/1.2129079

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Изменение потенциала электрода из нержавеющей стали относительно вспомогательного электрода на начальном участке 1-го цикла катодного осаждения лития (а) и катодно-анодной поляризации на первом цикле (б) ячеек SS | 1M раствор LiClO4 в сульфолане | Li при различных температурах: 1 – 15°С, 2 – 30°С, 3 – 45°С, 4 – 60°С. Условия циклирования: i = 0.2 мА/см2; Qкатод. ос. = 0.5 мА ч/см2.

Скачать (207KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Изменение потенциала электрода из нержавеющей стали относительно вспомогательного электрода на втором (а) и десятом (б) циклах катодно-анодной поляризации ячеек SS | 1M раствор LiClO4 в сульфолане | Li при различных температурах: 1 – 15°С, 2 – 30°С, 3 – 45°С, 4 – 60°С. Условия циклирования: i = 0.2 мА/см2; Qкатод. ос. = 0.5 мА ч/см2.

Скачать (226KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Влияние температуры на кулоновскую эффективность (а, в) и состав катодных осадков лития (б, г) при катодно-анодном циклировании электрода из нержавеющей стали при различных температурах: 1 – 15°С, 2 – 30°С, 3 – 45°С, 4 – 60°С. а, б – в 1М растворе LiClO4 в сульфолане. в, г – в 1М растворе LiClO4 в сульфолане, насыщенном 0.25m Li2Sn. Условия циклирования: i = 0.2 мА/см2; Qкатод. ос. = 0.5 мА ч/см2.

Скачать (362KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Диаграммы состава катодных осадков лития, образовавшихся на электроде из нержавеющей стали при циклировании в 1М растворах LiClO4 в сульфолане в течение 30 циклов при различных температурах. Условия циклирования: i = 0.2 мА/см2; Qкатод. ос. = 0.5 мА ч/см2.

Скачать (292KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Изменение потенциала электрода из нержавеющей стали относительно вспомогательного электрода на начальном участке 1-го цикла катодного осаждения лития (а) и катодно-анодной поляризации на втором цикле (б) ячеек SS | 1M раствор LiClO4 в сульфолане, насыщенный 0.25m Li2Sn | Li при различных температурах: 1 – 15°С, 2 – 30°С, 3 – 45°С, 4 – 60°С. Условия циклирования: i = 0.2 мА/см2; Qкатод. ос. = 0.5 мА ч/см2.

Скачать (237KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Диаграммы состава катодных осадков лития, образовавшихся на электроде из нержавеющей стали при циклировании в 1М растворе LiClO4 в сульфолане, насыщенном 0.25m Li2Sn, в течение 30 циклов при различных температурах. Условия циклирования: i = 0.2 мА/см2; Qкатод. ос. = 0.5 мА ч/см2.

Скачать (272KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024