Electrochemical deposition of silicon and germanium from ionic liquids: interfacial processes, compounds and macroporous structures

• Applicant: Professor Dr. Frank Endres
• Subject Area: Physical Chemistry of Solids and Surfaces, Material Characterisation ; Physical Chemistry of Molecules, Liquids and Interfaces, Biophysical Chemistry
• Term: from 2014 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 248199931

• Final Report Year: 2017

Final Report Abstract

In diesem Projekt wurden folgende Schlüsselergebnisse erhalten: 1. Die Grenzfläche IL/Au(111) wird von der IL und von der Konzentration von SiCl 4 beeinflusst. 2. Auf Si(111):H zeigen ILs eine weniger ausgeprägte Schichtbildung als auf Au(111). [EMIm]TFSA scheint sich auf Si zu zersetzen, während [Py 1,4]TFSA stabil ist. Lithiumsalze stören die Schichtbildung massiv. 3. Die Bandlücke von p-dotiertem Si(111):H wird von der IL beeinflusst. Die Messungen und deren Auswertung sind sehr kompliziert, weil sogar Submonolagen an IL die STM-Spitze benetzen können. 4. Auf Gallium modifiziertem Kupfer können kristallines Germanium und kristallines SixGe1-x abgeschieden werden. Im Raman-Spektrum zeigen sich in letzterem Falle Si-Si-, Ge-Ge- und Si-Ge-Bindungen, die Deposite sind daher heterogen. 5. Elektrochemisch abgeschiedenes amorphes Silizium ist für die Zyklisierung mit Lithium kaum geeignet. Sowohl makroporöses Si als auch Si-Nanodrähte werden nach wenigen Zyklen vollständig zerstört, während Germanium unter den gleichen Bedingungen stabil bleibt. 6. Stromlos mit Antimon modifiziertes amorphes Silizium zeigt gegenüber amorphem Silizium eine wesentlich höhere Beständigkeit bei der Zyklisierung mit Lithium, wobei Kapazitäten von 2000 – 1000 mAh/g gemessen werden. 7. Bei einer Temperatur von 160 °C können aus SiBr4 kristallines Silizium und kristallines Li12Si7 aus einer IL, die ein Li-Salz enthält, abgeschieden werden.

Publications

• “Electrodeposited silicon from ionic liquids” in “Silicon Nanomaterials Sourcebook”, ed. by Klaus D. Sattler, CRC Press, ISBN/EAN 9781498763875, p. 309-325
  F. Endres
  
• “A simple and fast technique to grow free-standing germanium nanotubes and core-shell structures from room temperature ionic liquids”, Electrochimica Acta 121 (2014) 154-158
  A. Lahiri, A. Willert, S.Z. El Abedin, F. Endres
  
• “Synthesis of Silicon and Germanium nanowire assemblies by template-assisted electrodeposition from an ionic liquid”, Australian Journal of Chemistry 67 (2014) 875-880
  A. Willert, S.Z. El Abedin, F. Endres
  
• “Electrodeposition of crystalline gallium-doped germanium and SixGe1-x from an ionic liquid at room temperature”, ChemElectroChem 2 (2015) 571-577
  A. Lahiri, M. Olschewski, T. Carstens, S.Z. El Abedin, F. Endres
  
• “Electrodeposition of Ge, Sn and GexSn1-x from two different room temperature ionic liquids”, Journal of Solid State Electrochemistry 19 (2015) 785-793
  A. Lahiri, G. Pulletikurthi, S.Z. El Abedin, F. Endres
  
• “Preparation of Ge nanotube arrays from an ionic liquid for lithium ion battery anodes with improved cycling stability”, Chemical Communications 51 (2015) 2064-2067
  XS. Liu, J. Hao, XX. Liu, CX. Chi, N. Li, F. Endres, Y. Zhang, Y. Li, JP. Zhao
  
• “Template-free electrodeposition of SnSi nanowires from an ionic liquid”, ChemElectroChem 2 (2015) 1361-1365
  A.M. Elbasiony, M. Olschewski, S.Z. El Abedin, F. Endres
  
• “Characterization of the solid electrolyte interface during lithiation/delithiation of germanium in an ionic liquid”, Physical Chemistry Chemical Physics 18 (2016) 5630-5637
  A. Lahiri, N. Borisenko, A. Borodin, M. Olschewski, F. Endres
  
• “Electrodeposition of three dimensionally ordered macroporous germanium from two different ionic liquids”, Journal of Nanoscience and Nanotechnology 16 (2016) 777-782
  J. Hao, JP. Zhao, YW. Zhang, XK. An, X. Liu, Y. Li, F. Endres
  
• “Hydrofluoric acid-free electroless deposition of metals on silicon in ionic liquids and its enhanced performance in lithium storage”, ACS Applied Materials & Interfaces 9 (2017) 11350-11355
  A. Lahiri, T. Lu, N. Behrens, N. Borisenko, G. Li, F. Endres
  
• “Ionic Liquid electrodeposition of strain-released germanium nanowires as stable anodes for lithium ion batteries”, Nanoscale 9 (2017) 8481-8488
  J. Hao, Y. Yang, JP. Zhao, XS. Liu, F. Endres, CX. Chi, BS. Wang, XX. Liu, Y. Li
  
• “Nanostructure of the H-terminated p-Si(111)/ionic liquid interface and the effect of added lithium salt”, Physical Chemistry Chemical Physics 19 (2017) 54-58
  V. Hoffmann, A. Lahiri, N. Borisenko, T. Carstens, G. Pulletikurthi, A. Borodin, R. Atkin, F. Endres