Анализ спектров электрохимического импеданса и строения твердоэлектролитной интерфазы на электроосажденном металлическом литии с использованием метода распределения времен релаксации

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Целью данной работы являлось подтверждение сделанного нами ранее вывода, что наблюдаемые при электроосаждении металлического лития на медных и литиевых электродах закономерности можно связать с различиями в свойствах так называемой твердоэлектролитной интерфазы (solid electrolyte interphase, SEI), которая образуется на этих электродах в контакте с электролитом. Для этого мы провели анализ измеренных в ходе вышеуказанных процессов спектров электрохимического импеданса методом распределения времен релаксации, также известном как distribution of relaxation times (DRT). Было показано, что добавление в состав электролита поверхностно-активных веществ, таких как бромид цетилтриметиламмония и бромид гексадецилпиридиния, приводит к значительному изменению свойств слоев SEI и заметному возрастанию величин компонентов импеданса, связанных с фарадеевскими процессами на данных электродах, что говорит о торможении процессов электроосаждения лития и связанных с ними процессов дендритообразования в этих условиях. В то же время на свежеобразованном осадке таких компонентов импеданса не наблюдалось, что подтверждает сделанный нами ранее вывод о том, что указанный эффект поверхностно-активных веществ на дендритообразование связан не с адсорбцией поверхностно-активных веществ на литии и блокированием роста осадков, а с влиянием поверхностно-активных веществ на свойства слоев SEI.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. С. Алпатов

Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, Химический факультет

Email: osemenik@elch.chem.msu.ru
Россия, Москва

Ф. А. Васильев

Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, Химический факультет

Email: osemenik@elch.chem.msu.ru
Россия, Москва

В. Х. Алешина

Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева

Email: osemenik@elch.chem.msu.ru
Россия, Москва

Т. А. Ваграмян

Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева

Email: osemenik@elch.chem.msu.ru
Россия, Москва

О. А. Семенихин

Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, Химический факультет

Автор, ответственный за переписку.
Email: osemenik@elch.chem.msu.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Алпатов, С. С., Васильев, Ф. А., Алешина, В. Х., Ваграмян, Т. А., Семенихин, О. А. Электроосаждение лития в присутствии поверхностно-активных веществ. Электрохимия. 2024. Т. 60. № 5. С. 349.
  2. Тихонов, А. Н. О регуляризации некорректно поставленных задач. Докл. АН СССР. 1963. Т. 153. С. 49.
  3. Wan, T. H., Saccoccio, M., Chen, C., and Ciucci, F., Influence of the discretization methods on the distribution of relaxation times deconvolution: implementing radial basis functions with DRTtools, Electrochim. Acta, 2015, vol. 184, p. 483.
  4. Ciucci, F. and Chen, C., Analysis of electrochemical impedance spectroscopy data using the distribution of relaxation times: A Bayesian and hierarchical Bayesian approach, Electrochim. Acta, 2015, vol. 167, p. 439.
  5. Effat, M. B. and Ciucci, F., Bayesian and hierarchical Bayesian based regularization for deconvolving the distribution of relaxation times from electrochemical impedance spectroscopy data, Electrochim. Acta, 2017, vol. 247, p. 1117.
  6. GitHub repository. Ciuccislab. DRTtools. URL: https://github.com/ciuccislab/DRTtools (дата обращения 19.08.2023)
  7. 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.
  8. 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.
  9. Алексеева, Е. Ю., Сафонов, В. А., Петрий, О. А. Потенциалы нулевого заряда и строение двойного электрического слоя на платине и палладии в среде диметисульфоксида. Электрохимия. 1984. Т. 20. С. 945.
  10. Lonchakova, O.V., Semenikhin, O.A., Zakharkin, M.V., Sergeyev, V.G., and Antipov, E.V., Efficient gel-polymer electrolyte for sodium-ion batteries based on poly(acrylonitrile-co-methyl acrylate), Electrochim. Acta, 2020, vol. 334, p. 135512.
  11. Semenikhin, O.A., Ovsyannikova, E.V., Alpatova, N.M., and Rotenberg, Z.A., Dynamic impedance measurements on a thin-film poly-3-methylthiophene electrode: memory effects and space charge formation, J. Electroanal. Chem., 1996, vol. 408, p. 67.
  12. Semenikhin, O.A., Hossain, M.M.D., and Workentin, M.S., Photoelectrochemistry of Conducting Polymers Modified with Electron-Acceptor Moieties, J. Phys. Chem. B, 2006, vol. 110, p. 20189.
  13. Su, L., Charalambous, H., and Cui, Z., High-efficiency, anode-free lithium–metal batteries with a close-packed homogeneous lithium morphology, Energy Environ. Sci., 2022, vol. 15, p. 843.
  14. Tong, Z., Bazri, B., Hu, S.-F., and Liu, R.-S., Interfacial chemistry in anode-free batteries: challenges and strategies, J. Mater. Chem. A, 2021, vol. 9, p. 7396.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
2. Рис. 1. (а) Типичные годографы электрохимического импеданса, измеренные на электроосажденном металлическом литии, осаждение которого было проведено (кривая 1) в базовом электролите с добавлением бромида гексадецилпиридиния и (кривая 2) в базовом электролите без добавления ПАВ. Измерения проводились при потенциале разомкнутой цепи в тех же электролитах, что и электроосаждение. Условия электроосаждения: (1) литиевый электрод, потенциал –0.07 В; (2) медный электрод, потенциал –0.055 В. Линии представляют собой результаты расчета по модели, полученной методом распределения времен релаксации. На врезке показана эквивалентая схема, использованная при анализе методом эквивалентных схем. (б) Распределение времен релаксации, полученное анализом годографов рис. 1а. Осаждение было проведено (1) в базовом электролите с добавлением бромида гексадецилпиридиния и (2) в базовом электролите без добавления ПАВ. (в) Частотные зависимости действительной (1', 2') и мнимой (1", 2") компонент импеданса зависимостей рис. 1а. Линии представляют собой результаты расчета по модели, полученной методом распределения времен релаксации.

Скачать (307KB)
3. Рис. 2. Спектры времен релаксации, полученные обработкой импедансных данных для осадков металлического лития, электроосажденных на (а) медный и (б) литиевый электроды в присутствии бромида гексадецилпиридиния (кривые 1) и бромида цетилтриметиламмония (кривые 2), а также в базовом электролите в отсутствии ПАВ (кривые 3).

Скачать (178KB)
4. Рис. 3. Спектры времен релаксации в среднечастотной области, соответствующей импедансу твердоэлектролитной интерфазы/слоев SEI, полученные (а) в базовом электролите без добавления ПАВ и (б) в электролите при добавлении бромида гексадецилпиридиния. (1, 3) Спектры (1) литиевого и (3) медного электрода до электроосаждения; (2, 4) спектры осадков металлического лития, электроосажденных на (2) литиевый и (4) медный электроды.

Скачать (166KB)
5. Рис. 4. Эволюция спектров времен релаксации, полученных обработкой импедансных данных для лития, электроосажденного при различных потенциалах на подложку из (а, б) лития и (в) меди. Электролит (а) с добавкой бромида цетилтриметиламмония; (б) с добавкой бромида гексадецилпиридиния; (в) без добавок ПАВ. Потенциалы: (а) 1 – -0.03 В, 2 – -0.035 В, 3 – -0.05 В, 4 – -0.06 В; (б) 1 – -0.065 В, 2 – -0.07 В, 3 – -0.08 В; (в) 1 – -0.03 В, 2 – -0.04 В, 3 – -0.055 В. Импедансы измерены при потенциале разомкнутой цепи после электроосаждения лития.

Скачать (263KB)

© Российская академия наук, 2024